深度解讀：2018年諾貝爾化學獎

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谷 君 說

北京時間10月3日下午17：30，2018年諾貝爾化學獎揭曉，來自美國加州理工學院的研究者弗朗西絲-阿諾德（Frances H. Arnoid）、美國密蘇里大學的研究者喬治-史密斯（George P. Smith）和英國劍橋大學的研究者格雷戈里-溫特（Sir Gregory P. Winter）共同獲得此獎。

化學獎深度解讀

文/T.Shen

如今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，包括自身免疫性疾病、甚至是轉移性癌症等。

我們生活在一個建立強大驅動力的星球上，即進化。自從第一粒生命種子在大約37億年前開始出現，地球上幾乎每一個縫隙中都會存在適應環境的有機體。

比如，地衣可以生活在光禿禿的山坡上，古細菌會生活在溫泉之中，有鱗的爬行動物會生活在沙漠，水母會在深海中發光等等。

在學校里，我們會在生物學課本上了解這些生物，地球上的生命之所以存在是因為進化常常會解決多種複雜的化學問題。

所有的有機體都會從其所生存的環境中提取物質和能量，並利用它們來構建其機體所需要的獨特化學組分。

魚類之所以能在極地海洋中游泳，是因為其血液和肌肉中的抗凍蛋白，這種蛋白能粘附在岩石上並幫助產生一種水下分子膠，而這只是無數例子中的一個。

而生命化學的光輝之處在於其被編入了機體的基因，讓這種光輝得以繼承和發展。

基因的小型隨機改變就會改變其化學特性，有時候會產生一種較弱的有機體。

而有時候則會產生較為健壯的有機體，隨著新型化學學科不斷發展，地球上的生命也變得越來越複雜了。

上述三位研究者之所以獲得2018年諾貝爾化學獎，因為其通過定向進化方法使得化學和新葯的開發都發生了革命性的變化。

讓我們先從酶工程之星—弗朗西絲—阿諾德開始說吧。

圖1:科學家們利用進化研究並在實驗室中深入探索

酶類—生命最鋒利的化學工具

即使是在1979年，作為一名剛剛畢業的機械和航天工程師，弗朗西絲-阿諾德也有一個清楚的願景，那就是通過新技術來造福人類。

美國曾表示，截止到2000年，20%的電力將來自可再生能源，於是，研究者弗朗西絲—阿諾德開始進行太陽能方向的研究。

然而，在1981年，總統選舉之後，這個行業的前景發生了根本的變化，隨後，她轉向對新型DNA技術進行研究，正如她自己所表達的那樣。

通過重寫生命代碼的能力，一種製造日常生活所需材料和化學品的全新方式將會得以實現。

代替使用傳統化學方法來生產藥物、塑料和其它化學品（傳統化學手段通常需要強溶劑、重金屬和腐蝕性酸）。

研究者弗朗西絲—阿諾德的想法是利用一種生命的化學工具—酶類來進行研究，酶類能催化地球上任意有機體機體中發生的化學反應。

如果能夠設法開發出一種新型酶類的話，弗朗西絲-阿諾德或許就有望改變整個化學研究領域。

人類的思維存在局限性

起初，與20世紀80年代末期很多科學家一樣，弗朗西絲-阿諾德嘗試利用傳統的方法來重建酶類給予其新的特性。

但酶類是一種非常複雜的分子，其由20種不同的氨基酸元件以不規則的方式組成，單一的酶類則由幾千個氨基酸組成。

它們常常以長鏈的形式連接在一起，從而摺疊形成特殊的三維結構，而在這些結構中就能夠創造出催化特定化學反應所必需的環境。

利用邏輯學來計算如何對複雜的結構進行重塑來賦予酶類一種新的特性似乎是非常困難的。甚至是利用當前的知識和計算機能力或許也是無法實現的。

20世紀90年代早期，面對大自然的優越感，弗朗西絲-阿諾德表現地很謙卑。

而用她的話來講，她決定放棄這種有點傲慢自大的想法，相反她從大自然自身優化化學的方法中找到了靈感，那就是進化。

圖2：酶類定向進化背後的機制

開始「玩」進化

多年來，弗朗西絲-阿諾德嘗試對一種名為枯草桿菌蛋白酶（subtilisin）的酶類進行改造。

以便使其能夠在有機溶劑（DMF，二甲基甲醯胺）中工作，而不是在水溶液中催化化學反應。

如今她對酶類的遺傳代碼進行隨機改變，隨後將這些突變基因引入到細菌重視起能夠產生數千種不同突變形式的枯草桿菌蛋白酶。

在此之後，研究者所面臨的挑戰就是找出在有機溶劑中哪種突變體表現出的效果最好。

在進化過程中我們討論的是生存，而在定向進化中這一階段則被稱之為選擇階段。

研究者利用枯草桿菌蛋白酶來破碎牛奶中的酪蛋白，隨後，她在35% DMF的溶劑中選擇出了能最有效破碎酪蛋白的枯草桿菌蛋白酶突變形式。

緊接著弗朗西絲-阿諾德在枯草桿菌蛋白酶中引入了新一輪的隨機突變，從而衍生出了能在DMF中表現更好的突變體。

在第三代枯草桿菌蛋白酶中，研究者發現了一種作用效率是原始酶類256倍的特殊突變體。

這種酶類突變體擁有10種不同突變的組合，並沒有研究人員能夠預測其所帶來的好處。

隨後，研究人員展示了這種定向選擇的力量，其能夠幫助改進新型酶類的產生，這或許也是研究人員邁出的革命性一步。

接下來重要的一步是由研究者Willem P. C. Stemmer倆進行的，Willem P. C. Stemmer是一名荷蘭的研究者，於2013年去世。

他描述了酶類定向進化的另一個方面，即在試管中進行配對。

配對—獲得更穩定的進化特性

比如，自然進化的先決條件就是來自不同個體的基因通過配對或授粉來混合，有益的特性常常會被結合，而且同時也會產生一種更加強壯的有機體。

與此同時，功能低下的基因突變就會在一代一代進化過程中消失。

研究者Willem P. C. Stemmer利用的檢測管就等同於配對（DNA改組，DNA shuffling）。

1994年，他證明了將不同版本的基因切割成小塊是可能的，隨後在DNA技術的幫助下，研究者將這些小塊拼接成了一個完整的基因，即原始的拼接版本。

進行了多個周期的DNA改組後，Willem P. C. Stemmer就對酶類進行了改變，以便其能比原始酶類更加有效。

這就表明，基因重組或能使得酶類產生更加有效的進化。

新型酶類能夠產生可持續的生物燃料

自20世紀90年代初期以來，DNA技術就被重新進行了改裝從而就使得用於定向進化的方法成倍地增加了。

弗朗西絲-阿諾德在這些研究中處於領先地位，如果她的實驗室中產生的酶類能催化自然界中根本不存在的化學反應，從而產生全新的材料。

她定製的酶類也成為了製造各種物質的重要工具，比如藥品等。

隨著化學反應的加速，其所產生的副產品也會較少。

在某些情況下還可能會排除傳統化學反應所需要的重金屬，這樣就大大減少了對環境的影響。

事情彷彿回到了原點，弗朗西絲-阿諾德又開始從事可再生能源的生產了。

如今，她的研究小組能夠開發出將單糖轉化為異丁醇的酶類，異丁醇是一種能用來生產生物燃料和綠色塑料且能量豐富的物質。

研究者的一個長期目標就是為運輸部分生產燃料。

如今，阿諾德開發的蛋白質所產生的可替代燃料能夠用在騎車和飛機上，她也以這種方式為綠色世界做出了自己的貢獻。

下面讓我們說一下本屆諾貝爾化學獎的第二部分。

研究者們通過定向進化的方法直接開發出了特殊的藥物，其能幫助中和毒素，抵禦自身免疫性疾病的進展。

有時候甚至還能治療轉移性癌症，這是一種特殊的噬菌體展示技術所帶來的成果。

利用噬菌體進行研究

科學研究常常是一條無法進行預測的道路，20世紀80年代初，喬治-史密斯就開始使用噬菌體感染細菌。

目的是希望感染的細菌能夠克隆基因，當時的DNA技術還很「年輕」。

而人類機體的基因組就好比是一個新大陸一樣，研究人員知道，人類基因組包含著能產生人體蛋白質所需的所有基因。

但識別編碼特定蛋白質的基因似乎就像大海撈針一樣困難。

然而，研究人員能夠利用新型的遺傳工具將基因插入到細菌基因組中，從而就能夠讓細菌製造出大量蛋白質以供研究，整個過程被稱為基因克隆。

而研究者喬治-史密斯的想法就是，尋找基因的研究人員應該巧妙的使用噬菌體來完成研究。

噬菌體—連接蛋白和未知基因的橋樑

噬菌體本質上很簡單，其是由被蛋白質包裹的小片段遺傳物質組成，當其繁殖時常常會將遺傳物質注入到細菌中來劫持細菌的新陳代謝。

隨後，細菌就會產生新的噬菌體遺傳物質和蛋白質，隨後就會形成新的噬菌體。

喬治-史密斯認為，研究人員應該利用噬菌體的簡單結構來尋找編碼已知蛋白質的未知基因，此時研究人員已經建立了大型的分子文庫，其中包含了大量未知的基因片段。

喬治-史密斯表示，這些未知的基因片段能夠與噬菌體膠囊中編碼蛋白的基因結合在一起。

當產生新的噬菌體時，來自未知基因特殊蛋白質最終就會作為膠囊蛋白的一部分出現在噬菌體表面（見圖3）。

圖3：噬菌體展示技術原理圖

抗體能夠摸索出正確的蛋白質

而這將會導致表面攜帶不同蛋白質的噬菌體混合在一起，隨後，研究者喬治-史密斯就假設研究人員能夠使用抗體來發現攜帶多種已知蛋白質的噬菌體。

而抗體的功能類似於目標導彈，其能夠有效識別並且以非常精確的方式結合到單一蛋白質上。

如果研究人員在混合噬菌體中捕捉到了某些東西，而且他們知道這種抗體能夠吸附到了一種已知的蛋白質上，那麼作為一種副產物，研究人員就能夠得到這種蛋白質的未知基因。

1985年，喬治-史密斯就證明了這種方法是可行的。

隨後，他製造出了一種能在表面攜帶肽類蛋白的噬菌體，利用這種抗體，研究者就能從許多混合的噬菌體液體中提取出其所構建的噬菌體。

抗體能夠阻斷多種疾病的進程

人類機體的淋巴系統中含有多種細胞，而這些細胞能夠製造出成百上千種不同種類的抗體，利用一種成熟的系統。

所有這些細胞都能被進行檢測以便沒有任何一種抗體會吸附到機體多種類型的分子上。

然而，這種巨大的變化確保了總有一種抗體能夠吸附感染宿主機體的病毒或細菌。

當抗體吸附到異物表面時其就會向機體攻擊性的免疫細胞發送信號，告知這些免疫細胞應該殺滅入侵者。

由於抗體具有高度選擇性，而且能夠吸附在成千上萬個分子中的一個分子表面，因此長期以來研究人員一直希望設計出能夠阻斷機體多種疾病進程的抗體。

最初，為了獲得這些治療性抗體，研究人員給小鼠注射不同的藥物靶點，比如來自癌細胞的蛋白質等。

然而，20世紀80年代，科學家們越來越清楚的意識到這種方法局限性，其中有些物質對小鼠具有毒性，而其它物質則不會誘發小鼠機體產生抗體。

此外，研究者還發現，機體獲得性的抗體常常會被患者的免疫系統識別為外來抗體，並對這些抗體發動攻擊。

這就常常會導致小鼠機體中的抗體被破壞，而對於患者而言就會出現副作用的風險。

將抗體置於噬菌體表面

抗體是一種Y形分子，研究者Greg Winter將抗體的遺傳信息與編碼噬菌體膠囊蛋白的基因相連接。

20世紀90年代，他通過研究證明了這種抗體的結合位點最終會出現在噬菌體表面，而其設計的抗體能夠吸附名為phOx的分子。

當Winter利用phOx作為分子魚鉤時，他成功地從400萬個噬菌體混合物中挑選出了攜帶抗體的噬菌體。

研究者Greg Winter表示，他可以在抗體的定向進化中利用噬菌體展示技術，隨後他構建了能夠攜帶數十億種抗體分子的噬菌體文庫。

在該文庫中，研究者就能夠篩選出吸附不同靶點蛋白的抗體。

隨後研究者隨機改變了第一代抗體並創建了一種新的抗體文庫，結果發現該文庫中的抗體對目標具有更強的吸附能力。

比如，1994年研究者就利用該方法開發了一種抗體，這種抗體能以較高的特異性吸附到癌細胞上。

圖4：利用噬菌體展示技術進行的抗體定向進化的原理圖

世界首個基於人類抗體的藥物

隨後研究者Greg Winter及其同事基於抗體的噬菌體展示技術創建了一家公司。

20世紀90年代，研究者開發出了一種完全基於人類抗體的藥物—阿達木單抗（adalimumab），這種抗體能夠中和名為TNF-α的蛋白質。

TNF-α則能夠驅動許多自身免疫性疾病患者機體中炎症的發生。

2002年，這種藥物獲批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。

阿達木單抗的成功刺激了製藥行業不斷的發展，如今噬菌體展示技術已經被用於生產多種癌症抗體等。

其中一種抗體能夠釋放機體的殺傷細胞以便能有效攻擊腫瘤，這樣腫瘤的生長就會被減緩。

甚至在某些情況下一些轉移性的癌症患者也能被治癒，這或許就是癌症治療領域的歷史性突破了。

另外一種獲批的抗體則能夠中和誘發炭疽的細菌毒素，其它抗體能夠減緩諸如紅斑狼瘡等自身免疫性疾病的進展。

化學研究領域新時代的開始

2018年，諾貝爾化學獎得主所發明的方法正在國際上不斷發展，這或將能推動更為綠色的化學工業，幫助開發新型材料，製造可持續的生物燃料，幫助減輕人類疾病且拯救生命。

酶類的定向進化和噬菌體抗體展示技術也讓三位科學家們為人類的健康做出了應有的貢獻，並為化學研究領域的革命奠定了堅實的基礎。

參考資料：

[1] Arnold， F. & Macuare， K. A. (2016) The NAI Fellow Profle： An Interview with Dr. Frances Arnold. Technology and Innovation， 18， 79-82

[2] Harding， A. (2006) Profle Sir Greg Winter—humaniser of antibodies. Lancet， 368， S50

[3] Nightingale， K. (2013) Greg Winter： Pioneering antibody drugs.

[4] Trager， R. (2018) In situ with Frances Arnold. Chemistry World.

Videos

[1] MoleCluesTV (4 June 2017) Frances Arnold： New enzymes by evolution

[2] SlidesLive (23 Nov 2015) Therapeutics Antibodies： A Revolution in Pharmaceuticals

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