定向進化憑什麽拿下2018年諾貝爾化學獎？

出品：科普中國

製作：安陽工學院 Zique

監製：中國科學院電腦網絡資訊中心

10月3日，瑞典皇家科學院決定將2018年諾貝爾化學獎的一半授予弗朗西斯·阿諾德（Frances H. Arnold），另一半同時授予喬治·史密斯（George P. Smith）和格雷格·溫特（Gregory P. Winter）爵士，以獎勵他們在各自領域所作出的傑出貢獻。

獲諾貝爾化學獎的三位科學家 圖片來源：諾貝爾官網

其中，弗朗西斯·阿諾德獲獎的理由是他首次進行了酶的定向進化。這些通過催化化學反應方式定向進化產生的蛋白質有著廣泛的應用領域，包括生物燃料、藥品等等。另一位獲獎者喬治·史密斯發明了一種被稱為"噬菌體展示"（phage display）的技術：這讓能感染細菌的病毒可以用來進化新的蛋白質。而格雷戈裡·溫特爵士則利用噬菌體展示技術生產了新的藥物。如今，噬菌體技術可產生抗體，用以中和毒素，對抗自身免疫性疾病以及治療轉移性癌症。

接下來，就讓我們來看看這三位諾貝爾化學獎得主是如何成功地利用基因變化和自然選擇，研究出可以解決人類化學領域問題的蛋白質的。

酶的定向進化

弗朗西斯·阿諾德是諾貝爾化學獎史上第5位獲獎的女性。從20世紀70年代開始，她就嘗試重建酶結構，以賦予其全新的性質。

酶（enzyme）是由活細胞產生的且對底物具有高度選擇性和高度催化效能的蛋白質或RNA。在酶的作用下，生物體內的化學反應在極為溫和的條件下也能高效地進行。酶可以由數千種氨基酸組成，它們以長鏈連接在一起，長鏈折疊構成特殊的三維結構，結構內部產生催化反應所需的合適環境。隨著研究的逐漸進行，阿諾德意識到，即使運用現代計算能力也難以徹底獲悉酶的特性，但她在自然界找到了新的靈感——進化。

她的團隊從一種存在於自然界的枯草杆菌蛋白酶開始研究，對其基因進行了分離編碼；然後他們使用不同的技術令基因變異，並將新的變異片段重新插入細菌中。這種細菌會產生數千種不同的枯草杆菌蛋白變體，研究人員根據需要對其進行篩選，比如快速發揮作用或是在高溫以及存在某些特定化學物質的條件下才發揮作用。阿諾德在第三代枯草杆菌蛋白酶中，發現一種變體溶解在DMF（有機溶劑二甲基甲酰胺）時的催化效果比原始酶高出256倍。

利用這種方法，研究人員產生了能夠催化原本自然界中並不存在的反應的新型酶。定向進化是實驗最重要的一環，如今阿諾德定製的酶已在藥品製造、可再生能源、環保行業大展身手，給創造一個綠色世界的人類夢想增添了強勁的活力。

?作用於矽片上的酶，圖片來源：PNNL on Visual Hunt

噬菌體展示技術讓蛋白質定向進化

噬菌體本質上很簡單，它主要由蛋白質和核酸（DNA和RNA）組成，是感染細菌、真菌、放線菌或螺旋體等微生物的病毒總稱。噬菌體繁殖時，它們將遺傳物質注入宿主菌並劫持新陳代謝功能，然後宿主菌產生了噬菌體的遺傳物質和膠囊蛋白，新的噬菌體便得以形成，即完成了噬菌體的繁衍。

噬菌體結構示意，圖片來源：Adenosine@維基百科

喬治·史密斯的“噬菌體展示”技術的基本原理就是將編碼多肽的外源DNA片段與噬菌體表面蛋白的編碼基因融合後，以融合蛋白的形式呈現在噬菌體的表面。被展示的多肽或蛋白可保持相對的太空結構和生物活性並暴露於噬菌體表面。導入各種各樣外源基因的一群噬菌體，就構成了一個呈現各種各樣外源肽的展示庫。當用一個蛋白質去篩查一個噬菌體展示庫時，具體的操作過程其實是用這個蛋白質與該庫中的全部噬菌體同時進行反應，以測試蛋白質與噬菌體的結合能力。所用的蛋白質會選擇性地同（暴露於特定噬菌體表面的）某個外源肽相結合，從而分離出展示柯瑞的某個特定的噬菌體。

喬治·史密斯奠定了噬菌體展示技術基礎。該方法簡單明了，它的優勢在於能在蛋白質與其遺傳資訊之間提供直接的物理聯繫，人們可以有效的對所需功能的克隆進行反覆篩選，並隨之對其進行擴增，最終實現蛋白質的定向進化。

噬菌體展示技術讓抗體定向進化

研究人員一直希望研究出能夠阻斷體內各種疾病過程並起到藥物作用的抗體，抗體藥物的發展也歷經了多次進化：從最初的鼠源抗體，二代人鼠嵌合抗體；三代人源化抗體，再到四代的全人源抗體。人源抗體是基於噬菌體抗體庫的技術手段而得到的抗體。

噬菌體抗體庫技術主要方法是將B淋巴細胞輕鏈和重鏈基因庫擴增，再融合到噬菌體衣殼蛋白中，經噬菌體表面展示系統表達後形成的噬菌體抗體庫。這類抗體庫含有豐度較高的抗原特異性抗體，能夠產生更多更好的抗體，而且這些抗體經過了免疫系統的親和力成熟過程，因此可從這種免疫抗體庫中篩選出對靶標親和性高的抗體。

噬菌體抗體庫的優點是直接將蛋白質與其基因聯繫在一起，再利用配體的特異性親和力，最終將不同的蛋白或多肽挑選出來。這相對於傳統的篩選技術，在時間周期、抗體類型、篩選範圍、經濟成本等方面有著突出的優勢。通過噬菌體展示技術獲得的抗體，不僅去除了鼠源抗體的免疫源性，而且免去了人源化操作，其篩選過程簡單、高效，能在較短時間內獲取親和力較強的全人源抗體。

格雷格·溫特建立了一個噬菌體庫，其表面上有數十億種抗體。從這個庫中，他找到了附著在不同靶蛋白上的抗體。然後，他在定向進化抗體的幫助下更新了新的庫，在這個庫中的抗體與靶標的附著力更強。

格雷格·溫特和同事們還成立了一家基於抗體噬菌體展示技術的公司。在20世紀90年代，公司開發出了一種完全基於人體抗體的藥物：阿達木單抗。這是第一個從噬菌體展示技術得到的全人體單克隆抗體，它能針對性地結合人腫瘤壞死因子（TNF），並阻斷TNF和受體的結合。2002年，該藥物被批準用於治療類風濕性關節炎，現在也用於治療不同類型的牛皮癬和炎症性腸病。阿達木單抗的成功刺激了製藥行業的發展。

噬菌體展示技術還可應用於癌抗體領域。癌抗體是來源於身體的殺傷性細胞，因此它們可以攻擊腫瘤細胞，致使腫瘤生長減緩，在某些情況下，即使患有轉移性癌症的患者也能治愈，這是癌症治療的歷史性突破。已經批準的另一種抗體藥物可以中和炭疽細菌毒素，還一種則可以減緩狼瘡症狀。目前正在進行更多的抗體臨床試驗，例如抗擊阿爾茨海默病的新藥。

培養皿中的炭疽杆菌群落，注意箭頭處區域因注入過噬菌體而令細菌無法生存來源：CDC公共圖書館

化學新時代的到來

三位諾獎得主利用生物化學方法實現了自然生物分子的定向進化，他們研究的突破使得可用快於自然進化千倍的速度改良藥物、燃料和其他產品成為可能。這是化學領域真正的定向進化，開啟了一個全新的時代。

於變革中改變世界，圖片來源：pixabay

參考文獻：

（1）https://www.nobelprize.org

（2）Ward E S, Güssow D, Griffiths A D, et al. Binding activities of a repertoire of single immunoglobulin variable domains secreted from Escherichia coli.[J]. Nature, 1989, 341(6242):544-546.

（3）https://baike.baidu.com/item/%E5%99%AC%E8%8F%8C%E4%BD%93%E5%B1%95%E7%A4%BA%E6%8A%80%E6%9C%AF/190351?fr=aladdin

（4）唐陶,陳冰冰,龍航宇,等.噬菌體對細菌感染的治療作用及應用研究[J].中國獸醫雜誌,2018(3).

（5）蔣紅欣.噬菌體抗體庫技術在抗體研發中的運用[J].科學技術創新,2017(33):158-159.

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