进化的力量——2018年诺贝尔化学奖简介

　　2018年诺贝尔化学奖授予了美国科学家弗朗西斯·阿诺德、乔治·史密斯和英国科学家格雷戈里·温特，获奖理由是：在掌控进化的方式及利用其为人类带来最大福祉方面做出重要贡献。通过定向进化开发出来的酶如今被用于生产生物燃料、药物和其他物质。同时，利用一种被称为噬菌体展示技术的方法进化出来的抗体，能够对抗自体免疫性疾病并在某些情形下治疗转移性肿瘤。

　　阿诺德的贡献：让酶定向进化

　　进化，更准确地说是演化，在生物学上一般都认为是由随机和偶然的因素促发和推动的。但是，阿诺德的研究表明，进化可以在人类的有意引导下发生。实际上，这样的进化早就体现在人类千万年来对作物（如水稻、小麦和玉米）和动物（如猪、牛、羊）等的驯化上。

　　阿诺德的引导进化是体现在对酶的改造上。1993年，阿诺德首次进行了酶的定向进化。酶的本质是蛋白质，但是它能催化化学反应，以此为契机，阿诺德改进了新型催化剂的常规方法，并把酶的用途扩大到生产更为绿色环保的化学物质，如药物和可再生燃料等。

　　20世纪末，阿诺德对枯草杆菌蛋白酶产生了兴趣，尝试把它的催化条件从正常的水溶液转换到特殊的有机溶剂二甲基甲酰胺（DMF）中，希望获得更大的催化活性和更快的催化速度。酶是极其复杂的分子，由20种不同的氨基酸构成。这些氨基酸可以被无限地结合起来，单个酶可包含上千个氨基酸。它们连接成长链，长链又能折叠形成特定的三维结构。阿诺德根据进化论中的“适者生存”理论，在定向进化中进行选择。

　　基于枯草杆菌蛋白酶分解牛奶蛋白和酪蛋白的事实，阿诺德选择一种枯草杆菌蛋白酶变体，可以在含有35%二甲基甲酰胺的溶液中最有效地分解酪蛋白。随后，对枯草杆菌蛋白酶的基因进行分离编码，然后使用不同的技术让基因变异，并将新的变异基因片段重新插入细菌中。细菌会产生数千种不同的枯草杆菌蛋白酶变体，阿诺德则根据需要对其进行筛选，选择那些活性更高，或者是在高温以及存在某些特定化学物质的条件下才发挥作用的枯草杆菌蛋白酶变体。阿诺德认为，只要经过循环往复的基因选择，就可能找到符合预期活性的酶。幸运的是，阿诺德在第三代枯草杆菌蛋白酶中就找到一种比天然酶活性高256倍的枯草杆菌蛋白突变酶。这种酶的变体结合了10种不同的突变，其益处至今人们还难以预知。至此，阿诺德按照“突变-筛选-再突变-再筛选”的方式实现了目标（酶）的进化。有了这样的酶之后，阿诺德的实验室现在能利用新型的酶催化和生产甚至在自然界中不存在的化学物质，并且产生全新的材料。

　　阿诺德的研究团队已经研发出把单糖转变成异丁醇的酶。异丁醇是一种富含能量的物质，可被用于生产生物燃料和更加环保的塑料。阿诺德团队还把眼光投向研发高活性酶（纤维素分解和生物合成酶）和微生物，可以把再生生物质转化为燃料和化学物质。当然，这样的酶也可以催化和生产新的药物，如抗癌药物。

　　史密斯的贡献：让蛋白质定向进化

　　史密斯的主要贡献在于，他使得蛋白质能定向进化。蛋白质定向进化的基础在于噬菌体展示技术。噬菌体展示技术是一种将外源肽或蛋白质与特定噬菌体衣壳蛋白相融合，展示于噬菌体表面来构建蛋白质或多肽库，并从中筛选目标蛋白、多肽或抗体的基因工程技术。

　　具体的做法是，让噬菌体感染细菌和病毒后与蛋白质连接在一起，通过这一过程可以研究蛋白质-蛋白质、蛋白质-肽、蛋白质-DNA的交互作用，由此获得和提供编码它们的基因信息。噬菌体是一类病毒的总称，它们能感染细菌、真菌、藻类、放线菌或螺旋体等微生物，由于能引起被感染的宿主菌的裂解，所以被称为噬菌体。噬菌体相当微小，也不具有完整的细胞结构，只含有单一核酸，是一种“捕食”细菌的生物。

　　噬菌体最大的特点是专门以细菌为宿主，在细菌细胞中利用细菌的核糖体、蛋白质合成时所需的各种因子、各种氨基酸和能量产生系统来实现其自身的生长和增殖。一旦离开了宿主细胞，噬菌体既不能生长，也不能复制。同时，噬菌体也只是一团由蛋白质外壳包裹的遗传物质，大部分噬菌体还长有“尾巴”，用来将遗传物质注入宿主细菌体内。史密斯创造的噬菌体展示技术的基本原理是将编码多肽的外源DNA片段（基因）与噬菌体表面蛋白的编码基因融合，再以融合蛋白的形式呈现在噬菌体的表面。在噬菌体表面展示的多肽或蛋白同样可以保持相对的空间结构和生物活性。

　　由于导入了各种各样的外源基因，这样的一些噬菌体就形成了一个能展现多样性外源肽的展示库。史密斯等人选择用某一蛋白去筛查一个噬菌体展示库，就使得这一蛋白与噬菌体展示库中的全部噬菌体同时进行反应，以测试蛋白质与噬菌体的结合能力。由于选用的蛋白会选择性地与暴露于特定噬菌体表面的某个外源肽相结合，研究人员能分离出展示库里的某个特定的噬菌体，以展示其外部的蛋白质，同时也展示蛋白质内部的基因，从而证实基因型和表现型之间的联系。

　　通过这种方式，大量蛋白质数据库可以在一个叫作“体外选择”的过程中进行筛选和放大，从而获得所需要的蛋白质并进行扩增，最终实现蛋白质的定向进化。这个过程也类似于自然选择过程。

　　史密斯是第一位在《科学》杂志上发表利用噬菌体展示技术进行短肽分子展示的科学家。噬菌体展示技术具有三大优势，一是因淘汰和选择的高效率使得噬菌体在极低的存在水平下，能挑选到高亲和力噬菌体；二是所挑选的噬菌体可在微量存在的情况下，通过感染细菌得到富集；三是展示的多肽或蛋白质与其包含在噬菌体内部的基因密码的连接，使得结合肽或蛋白质的序列分析既快速又简便。因此，这一技术能在短短的两周内由表现型筛选出肽或蛋白的编码基因，可以让人几乎任意地挑选（设计）所需要的短肽和蛋白。

　　这一技术经过改进和向实用型发展，30多年来已产生了很多有用的短肽和抗体，极大地造福了人类。

　　温特的贡献：让抗体定向进化

　　温特的贡献是让抗体定向进化，但同样是通过噬菌体得以实现。他设计了一种特殊的抗体，能与特定的噬菌体结合，然后用一种“分子鱼钩”将表面上结合有抗体的噬菌体从其他数以百万计的噬菌体中分离出来。这样就可以将噬菌体展示技术应用于抗体的定向进化。

　　抗体是一种由浆细胞（效应B细胞）分泌，被免疫系统用来鉴别与中和外来物质如细菌、病毒等的大型Y形（树杈状）蛋白质。抗体能识别特定外来物的某一特征，抗体的树杈状结构的两个分叉末端是与外来物进行结合的位点，温特将抗体这一部分的对应基因信息与噬菌体的一个荚膜蛋白对应基因信息进行结合。

　　1990年，温特在实验中做到了让抗体在噬菌体表面结合，随后，使用phox作为一种“分子鱼钩”，将表面结合有抗体的噬菌体从其他数以百万计的噬菌体中“钓”了出来。然后他建立起一个噬菌体数据库，记录噬菌体表面抗体的数十亿种变化。基于这一数据库，可以筛选出能与不同目标蛋白质相结合的抗体。抗体如果能与特殊蛋白结合，就可以促进或阻止某一蛋白发挥作用，从而治疗疾病（抗体治疗）和生产生物产品。1994年，温特使用这种方法研发出能够与癌细胞相结合的抗体，具有相当高的精准性。后来，温特和同事们创立了一家基于抗体噬菌体展示技术的公司。这家公司研发出一种新药—修美乐（Humira），即阿达木单抗（Adalimumab）。这种单抗能够中和一种蛋白质（肿瘤坏死因子α，TNF-α），是一种全人源抗肿瘤坏死因子单克隆抗体。TNF-α是引发多种自身免疫疾病的诱因。2002年，修美乐被美国食品药品监督管理局（FDA）批准用于治疗类风湿性关节炎、银屑病（牛皮癣）和炎症性肠炎疾病，这几种病都是自身免疫疾病。目前修美乐在全球获批治疗的病症多达14个，在超过96个国家或地区销售。而且，修美乐连续6年成为全球销售最好的药物，仅2017年就贡献了184.27亿美元，说明人们对这一药物治疗疾病的需求量极大。这也意味着，基于噬菌体展示技术而筛选的抗体药物具有广阔的市场。在成功研发阿达木单抗之后，研究人员还在定向筛选能够抗癌、抗失智（痴呆）和抗狼疮的抗体药物。

　　通过酶、蛋白质和抗体的定向进化，人们不仅能弄清许多生命现象和本质，还能有目的地研发出治疗多种疾病的有效药物，并且开发出一些为人们所需要的生物产品。生化领域的定向进化获得今年的诺贝尔化学奖也显示未来这一领域具有广阔的发展前景。

　　张田勘