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致敬2018諾貝爾化學獎獲得者——科學研究拯救生命

王雷 編譯

2018年諾貝爾化學獎授予了美國加州理工學院的弗朗西絲-阿諾德(Frances H. Arnoid)、美國密蘇裡大學的喬治-史密斯(George P. Smith)和英國劍橋大學的格雷戈裡-溫特(Sir Gregory P. Winter)三位研究人員。瑞典皇家科學院指出,三位學者為人類健康帶來了福祉,創造出有益於人類健康的藥物,可用於多種疾病的治療。其中,阿諾德致力於酶的定向進化研究,史密斯和溫特研究肽類和抗體的噬菌體展示技術。通過定向進化技術開發的酶類能被用來生產生物燃料和藥物等,而利用噬菌體展示技術所製造的抗體有望抵禦多種疾病。

酶的定向進化——有益突變

進化是生物進行自我複製和變異的能力。生物體可以複製它們的基因並傳遞給後代,同時後代的基因會發生一定的變化來更好的適應環境。阿諾德的工作重點是酶的定向進化,酶是一種加速化學反應的蛋白質,這些酶對於工業應用來說非常有用,科學家們一直試圖人工製造出具有所需催化特性的酶。

值得一提的是,阿諾德是第五個諾貝爾獎的女性科學家,她開發了一種方法來產生某些酶的基因突變,以便篩選到最好的酶。不同的突變將在每個細胞中產生不同的酶,經過多輪突變,人們可以選擇出更有效的酶應用於工業生產。

阿諾德的研究非常重要,她進化的酶類可以加速化學反應,產生的副產品也較少,而且不需要傳統化學反應所需要的重金屬催化劑,減少了對環境的影響。

噬菌體展示技術

史密斯和溫特開發了一種被稱為噬菌體展示的技術,研製出特殊的生物醫藥用於中和毒素、抵禦自身免疫性疾病,甚至還能治療轉移性癌症。

20世紀80年代初,史密斯開始利用噬菌體侵染細菌細胞,目的是希望被侵染的細胞能夠克隆基因。隨後,溫特使用噬菌體技術設計出細菌中的新抗體——用於對抗有害細菌和病毒的大蛋白質。經過多輪突變和篩選,人工進化選擇出最佳抗體來對抗某種感染。

噬菌體侵染細胞的電子顯微影像

噬菌體展示技術使得整個實驗不必完全依賴動物實驗,可以在簡單的培養皿中進行精確的生物學研究。可以說,該研究的重大貢獻之一是減少了實驗室中使用的動物數量。20世紀90年代,溫特和合作者創建了一家公司,開發出了一種完全基於人類抗體的藥物—阿達木單抗(Adalimumab),用來治療風濕性關節炎,同時還能治療多種類型的銀屑病和炎性腸病。

三名研究者的工作主要是在19世紀90年代進行的。現在,許多科學家基於蛋白質和酶的合成文庫繼續進行科學研究,因此定向進化技術改變了蛋白質工程研究的整個領域,同時也挽救了動物和人類的生命。這只是一個開始,未來我們可能會看到更多來自於定向進化和噬菌體展示技術的成功應用事例。

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