我們生活的星球上，有一股強大的力量：演化。自從約37億年前出現第一顆生命的種子，地球上每個裂縫幾乎都被適應環境的生命體填滿：地衣在荒山上生長，古細菌在熱泉中蓬勃發展，長鱗片的爬行類能應對荒漠，水母在幽暗的深海發光。
海底熱泉附近的生命 | NOAA
學校裡，我們在生物課學到這些生命體，但現在請換上化學家的視角。正因演化解決了大量化學難題，地球上才有生命存在。所有的生命體都能從它所在環境生態位中提取物質與能量，並用它們構建自身獨特的化學組成。魚可以在極地海洋中游泳，這要感謝血液裡的抗凍蛋白；貽貝能附著於岩石，因為它們製造出了一種水下分子膠水。這些只是數不清的例子中的幾個。
生命化學的美妙之處在於，它編碼於我們的基因之中。因此這些化學資訊可以傳承，可以發展。基因的隨機小變動將改變這些化學。這有時會導致生命體更虛弱，有時則會更強壯。於是，新的化學逐漸發展，地球上的生命變得越來越複雜。
這一演化過程延續至今，直到它創造出了三個人類——這三個生命體已經複雜到足以反過來掌控演化本身。2018年諾貝爾化學獎頒給弗蘭西斯·阿諾德、喬治·史密斯和格裡高利·溫特，因為他們通過定向演化徹底革新了化學以及新葯開發。讓我們從傑出的酶工程師——弗蘭西斯·阿諾德開始介紹。
酶——生命最有力的化學工具
早在1979年，作為剛畢業的機械和航天工程師，弗蘭西斯·H·阿諾德就有著明確的夢想：通過新技術的發展造福人類。美國在當時有一項決策——到2000年時全國20%的能源是可再生的，在此期間她便著手研究太陽能。然而1981年的總統選舉後，這一行業的未來前景發生巨變，因此她將目光轉向DNA技術。正如她自述的那樣：「顯然，這種重寫生命代碼的能力，將賦予我們製造日常生活所需材料和化學製品的新技術。」
她的想法是使用生命的化學工具——酶，來生產藥物、塑料和其他化學製品。製作這些東西通常需要強溶劑、重金屬和腐蝕性酸等傳統化學手段。酶催化生命體內的化學反應，如果她學會設計新的酶，就能徹底改變化學。
弗蘭西斯·H·阿諾德 | Caltech
最初，正如上世紀80年代的其他研究者一樣，阿諾德試圖通過推理研究法，來重構酶並賦予其新特性。但酶是極其複雜的分子。它們由20種不同的氨基酸構成，這些氨基酸能排列成無數種組合。一個酶可以包含幾千個氨基酸。這些氨基酸連接成長鏈，並摺疊成特殊的3維結構。在這些結構的內部，會形成催化特殊化學反應所需的環境。
即使藉助當代的知識和電腦的力量，使用邏輯來改造這種精細的結構，從而賦予酶新的特性，也是很困難的。在上世紀90年代初期，在大自然的優越性面前挫敗後，弗蘭西斯·H·阿諾德決定放棄這種方法。用她的話來說，這是一種「有點傲慢的方法」。她轉而從大自然自己優化化學的方法中獲得啟發：演化。
阿諾德花了好幾年的時間，設法改造一種名叫枯草桿菌蛋白酶（subtilisin）的酶。這樣，她就不需要在水基溶液中催化化學反應，而是可以讓反應在有機溶劑二甲基甲醯胺（DMF）中發生。她在這種酶的遺傳密碼中引發隨機突變，然後把這些突變基因轉入了細菌，生產出了數千種不同的枯草桿菌蛋白酶變異體。
之後的難題是，要找到這些變異體中哪種在有機溶劑中表現最好。在演化中，人們談論的是適者生存；在定向演化中，這個階段叫做選擇。
弗蘭西斯·阿諾德利用了枯草桿菌蛋白酶能分解牛奶裡酪蛋白的事實，在35%DMF的溶液中選擇出了分解酪蛋白最高效的枯草桿菌蛋白酶變異體。隨後，她又在這種枯草桿菌蛋白酶中引入了新一輪的隨機突變，得到了在DMF中表現更佳的變異體。
在第三代枯草桿菌蛋白酶中，她發現了一種在DMF中工作效率比初始酶高256倍的變異體。這種變異體擁有10個不同突變的組合，任何人都無法事先計算出其優勢。
有了這些發現，弗蘭西斯·阿諾德證明，讓機會和定向選擇來控制新酶研發，而非單純依靠人類理性推導，這樣做是有效的。這是邁向我們今日所見的變革的第一步，也是最具決定性的一步。
酶的定向演化原理
下一個重要步驟由荷蘭研究者、企業家威廉·施特默爾（Willem P. C. Stemmer）做出，他已於2013年去世。施特默爾向酶的定向演化引入了另一個維度：試管中的交配。
交配——為了更穩定的演化
自然演化的一個先決條件是通過交配或授粉來混合來自不同個體的基因。有利的生物屬性可以因此結合起來，產生出更強壯的生物體。同時，功能沒那麼好的突變可以在一代又一代的進程中消失。
施特默爾採用的是自然交配的實驗室版本：DNA重組。1994年，他證明了有可能將一個基因的不同版本切割成小片段，然後在DNA技術的幫助下，將這些片段拚湊成一個完整的基因，綜合了來自不同版本的碎片。
施特默爾通過幾輪DNA重組而改變了一種酶，使它比原來的酶更加好用。這表明，讓基因相互「交配」可以導致酶的更有效演化。
DNA重組原理 | Science
自20世紀90年代初至今，DNA技術的工具得到了進一步完善，而定向演化中使用的方法已經成倍增長。阿諾德一直站在這些發展的前沿，現在她實驗室中生產的酶甚至可以催化自然界中不存在的化學反應，造出全新的材料。她製作的酶也成為製造各種物質的重要工具，比如藥品。她的酶使得化學反應加快，副產品減少，在某些情況下，甚至有可能去掉傳統化學中所需的重金屬，從而大大減小了對環境影響。
如今她的工作又回到了原點：開發可再生能源。她的研究小組已經開發出了可以將單糖轉化為異丁醇的酶，異丁醇是一種富含能量的物質，可用於生產生物燃料和綠色塑料。她的長遠目標之一是為交通運輸生產更環保的燃料。由阿諾德的蛋白質生產的替代燃料可以用於汽車和飛機。通過這種方式，她的酶正在讓世界變得更加綠色。
現在我們說說2018年化學諾獎的另一半，在這裡，定向演化帶來的藥品能夠中和毒素、對抗自身免疫疾病，在某些情況下，甚至還能治療轉移癌。一種微小的感染細菌的病毒起到了關鍵作用——這個方法被稱為噬菌體呈遞。
史密斯使用噬菌體
科學的發展路線往往不可預料。在20世紀80年代前半葉，喬治·史密斯開始用噬菌體（即能夠感染細菌的病毒）時，主要是希望它們能用來克隆基因。那時的DNA技術尚未成熟，人類的基因組像是一片未知的大陸。研究人員知道它含有產生人體蛋白質所需的基因，但是找到哪個基因產生了哪個蛋白質，比大海撈針還難。
然而，發現它對科學家有極大好處。使用當時最新的基因工具，這個基因可以插入細菌中，如果運氣好的話，可以大量生產用於研究的蛋白質。這個過程叫基因克隆。史密斯的想法就是，尋找對應基因的科學家可以用一種十分巧妙的辦法利用噬菌體。
史密斯接到諾獎獲獎的電話 | Marjorie R. Sable
噬菌體的結構很簡單，外面是一層保護蛋白，裡面是一小段遺傳物質。繁殖時，它們將遺傳物質注入到細菌中，劫持宿主的代謝。然後細菌會產生該噬菌體的遺傳物質的複製品以及形成外殼的蛋白質，從而形成新的噬菌體。
史密斯認為，研究人員可以利用噬菌體的簡單結構來找到那個製造已知蛋白質的未知基因。那時已有大分子文庫，其中含有大量的未知基因的片段。他認為，這些未知的基因片段可以與製造某種蛋白質的基因一起放進噬菌體外殼中。當新的噬菌體產生時，未知基因製造的蛋白質會位於噬菌體的表面，成為蛋白質外殼的一部分。
攻擊大腸桿菌表面的噬菌體 | Eye of Science / Science Source
這將會得到一份噬菌體混合液，這些噬菌體的表面攜帶有大量不同的蛋白質。喬治·史密斯設想，在接下來的步驟中，研究者們將可以使用抗體，從這一鍋「噬菌體湯」中撈出攜帶有不同的已知蛋白的噬菌體。抗體是一種蛋白質，它們能像目標飛彈一樣發揮作用：從成千上萬的蛋白中，非常精準地識別並結合單個蛋白質。假如研究者用某個已知蛋白的抗體從噬菌體湯裡撈到了東西，他們也就知道了當初放進去的那個未知基因，合成的就是這個蛋白。
這是一個優雅的想法，並在1985年被喬治·史密斯付諸實現。他製造出一個噬菌體，噬菌體的表面攜帶有一個蛋白質的片段（也即多肽）。通過抗體，他成功地從含有許多噬菌體的「雜燴湯」中得到他構建的那個噬菌體。
通過這個實驗，喬治·史密斯為這個被稱為「噬菌體呈遞」的技術奠定了基礎。這個方法簡單卻不容小覷。它的優勢在於噬菌體能連接起蛋白質和對應的基因。然而，這個技術的重大突破卻不在基因克隆的範疇；相反地，在1990年左右，幾個研究團隊開始使用噬菌體呈現技術創造出新的生物分子。其中一個就是格裡高利·溫特。由於他的研究，噬菌體呈現技術正在造福人類。為什麼？我們需要先更仔細地理解抗體。
噬菌體呈遞
抗體可以阻止疾病的進程
人類淋巴系統的細胞可以生成幾十萬種不同的抗體。它們用一套很成熟的技術來檢測所有細胞，保證抗體不會結合到人體本來就有的分子上。同時，如此大量的抗體種類保證了我們感染的所有細菌和病毒都有對應的抗體。當抗體結合到分子上時，就會向攻擊性免疫細胞發送一個信號，讓它們消滅入侵者。
因為抗體有很高的選擇性，能夠在上萬個分子裡精準結合到特定的一個，因此研究者們一直希望可以設計出一種抗體，能夠和藥物一樣阻礙疾病的特定機制。最早，人們為了獲取這種藥物類抗體，向大鼠注射了不同種類的藥物目標物質，例如癌細胞蛋白質。但是，到了1980年，人們意識到這種方法有其局限性。有些物質對大鼠有毒性，另外一些無法產生任何抗體。此外，如此產生的抗體如果注入人體內，會被人的免疫系統當做異物而攻擊。這會導致大鼠的抗體被摧毀，並有對病人產生副作用的風險。
格裡高利·溫特正是因此才開始研究史密斯的噬菌體呈遞技術的潛力。他希望避免使用大鼠，直接以人類的抗體為基礎製藥：這樣它才可以和人類的免疫系統相容。
畫：溫特和他的研究 | David Cobley
抗體是Y形的分子；它的兩個胳膊負責和外來物質結合。格裡高利·溫特將抗體這部分的遺傳資訊，加入到噬菌體外殼蛋白的基因裡。1990年，他證明這一操作能讓抗體的結合位點處於噬菌體的表面。他用的抗體經過設計，會和一個名叫phOx的小分子結合；溫特將phOx當成「分子魚鉤」，成功地把擁有抗體的噬菌體從四百萬噬菌體的池子裡釣了出來。
之後，格裡高利·溫特的研究表明，可以將噬菌體呈遞技術用於抗體的定向演化。他建立了一個噬菌體庫，噬菌體的表面附有幾十億抗體。從這個庫中，他釣出了附於各種目標蛋白的抗體。接著他隨機改變這第一代抗體並創建一個新的庫，在此之中他找到了更強力附著於目標蛋白的抗體。1994年，他用此方法開發了附在高度特異的癌細胞上的抗體。
世界上首個基於人類抗體的藥物
溫特及同事在噬菌體呈遞抗體技術的基礎上建立了一家公司。20世紀90年代，他們研發出了一種完全基於人類抗體的藥物：阿達木單抗（adalimumab，商品名修美樂），這種抗體中和了一種在多種自體免疫性疾病中導致炎症的蛋白質 TNF-alpha。2002年，這一藥物被批準用於類風濕性關節炎的治療，現也用於治療多種不同類型的銀屑病和炎症性腸病。
阿達木單抗的成功，刺激了製藥業的重大發展，噬菌體呈遞被用於生產癌症抗體。其中一種能夠釋放出體內的殺傷性細胞，使其攻擊腫瘤細胞。腫瘤的成長速度得以減緩，並且在某些案例中，甚至轉移癌症的患者也得以治癒，這在癌症治療中是歷史性的突破。其他抗體藥物被批準用於中和炭疽導致的細菌性中毒，以及緩和自體免疫性疾病如狼瘡；許多其他的抗體，包括對抗阿爾茲海默症的藥物，目前正在臨床試驗中。
藉助噬菌體呈遞，實現抗體的定向演化
2018年諾貝爾化學獎獲獎者研發的方法，現在已經得到全球範圍的發展，以推進綠色化學產業、生產新物質、製造可持續生物燃料、緩和疾病，以及拯救生命。酶的定向演化和噬菌體呈遞抗體，使阿諾德、史密斯和溫特為人類帶來了巨大福祉，為化學的一場革命奠定了基礎。
編譯：果殼編譯班
編輯：Ent
編譯來源：https://old.nobelprize.org/che-popular.pdf
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