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时间:2020-01-11 17:39:35

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2018诺贝尔化学奖揭晓:三位科学家因进化控制获奖

2018诺贝尔物理学奖揭晓:美法加三位科学家共同分享

通往更加极端的光学之路:“用光制造的工具”获诺奖

2018诺贝尔奖专题

科技讯 北京时间10月3日消息,据国外媒体报道,进化的力量在生物的多样性中得到了充分展现。2018诺贝尔化学奖颁发给弗朗西丝·阿诺德、乔治·史密斯和格雷戈里·温特爵士,奖励他们研发出控制进化过程的方法、并利用这些方法造福人类。通过定向进化制造的酶可用于生产各类产品,包括生物燃料、药品等等。利用噬菌体展示技术生产的抗体能够对抗自体免疫疾病,在有些情况下甚至能治愈转移性癌症。

在我们生活的地球上,有一支名为“进化”的强大力量。自37亿年前地球上出现首批生命以来,几乎每寸地表中都填满了不断对环境做出适应的生命体:比如生长在贫瘠山脊上的地衣,在热泉中顽强生存的藻类,干燥沙漠中浑身披甲的爬行动物,以及在黑暗的深海中闪闪发光的水母。

我们在生物课上都学过这些生物,但现在让我们转变一下视角,从化学家的角度看待它们。地球上的生物之所以能存活下去,是因为进化帮它们解决了无数复杂的化学问题。所有生物都能从周边环境中提取可用的物质和能量,用它们合成自己所需的独特化学成分。鱼的血液中含有防冻蛋白质,因此它们在极地冰洋中也能畅游无阻;贝类能分泌一种水下分子胶,因此可以牢牢粘附在岩石上。

这些化学反应的绝妙之处在于,它们已经被编写进了我们的基因中,能够代代相传、不断演变。基因如果发生了一点儿意外变化,就会改变这种化学反应。有时这会削弱生物体的生存能力,有时则会让该生物变得更加强大。随着新的化学反应逐渐出现,地球上的生命也变得愈加复杂。

受益于这些进化过程,有三个人竟然复杂到自己掌握了控制进化过程的能力。2018年诺贝尔化学奖颁给了弗朗西丝·阿诺德、乔治·史密斯和格雷戈里·温特爵士三人,因为他们使化学界发生了革命性变化,并通过定向进化技术促进了新药的研发。首先来介绍一下酶工程领域的明星:弗朗西丝·阿诺德。

酶——生命最强大的化学工具

早在1979年、弗朗西丝·阿诺德还是一名刚毕业的机械与航空航天工程师时,她就已经有了一套明确的规划,希望通过新技术的研发造福人类。美国当时决定,到2000年前,20%的能源都要由可再生能源提供。于是阿诺德也参与了太阳能的研究。但到了1981年总统大选之后,该行业的前景预期发生了巨变,因此阿诺德将研究重点转向了新兴的 DNA 技术。她对此表示:“要想以全新的方式制造我们日常所需的材料与化学物质,就需要重新改写生命编码。”

她并未打算采用传统化学方法生产药物、塑料和其它化学物质,因为这些方法往往要用到强效溶剂、重金属和腐蚀性酸。相反,她决定利用生命的化学工具——酶。酶能够催化生物体内的化学反应。假如阿诺德能掌握制造新酶的方法,就能根本性地改变化学界。

人类思维的局限性

弗朗西丝·阿诺德一开始像其他很多80年代末的科学家一样,试图通过重新搭建酶的结构来赋予它们新的性质。但酶的分子结构极为复杂,由20种不同的氨基酸分子构成,且联结方式可能多达无限种。单个酶中可能包含数千个氨基酸分子,它们相互联结成一条长链,再折叠成空间三维结构。催化特定化学反应所需的环境就是在这些结构中产生的。

即使利用目前的化学知识和计算机,也很难通过逻辑破解和重建这些极为复杂的分子结构。因此在90年代初,弗朗西丝·阿诺德面对大自然的强大力量,选择了放弃。用她的话来说,这种方法“显得有些不自量力”。她决定在大自然优化化学反应的方法——进化中寻求灵感。

阿诺德开始研究进化

她花了几年时间,试图改变一种名叫“枯草杆菌蛋白酶”的酶,让它能够在有机溶剂“亚甲基甲硫胺(DMF)” 、而非水基溶剂中催化化学反应。她先让这种酶的遗传编码发生随机变异,再把这些变异基因引入到细菌中,这样就培育出了数千种枯草杆菌蛋白酶的变种。

接下来的挑战是,从这么多变种中找出在有机溶剂中催化效果最好的一种。在进化中,我们会说适者生存;而在定向进化中,我们把这一阶段叫做“选择”。

弗朗西丝·阿诺德利用了枯草杆菌蛋白酶能够分解酪蛋白的性质。她先是选出了在含有35%亚甲基甲硫胺的溶液中分解酪蛋白效果最好的枯草杆菌蛋白酶变种,然后再让这种蛋白酶基因发生一轮随机变异,从而培育出了在亚甲基甲硫胺溶液中效果更好的新变种。

在第三代枯草杆菌蛋白酶中,她找到了一种效果胜过原始蛋白酶256倍的变种。该变种中含有十多种不同的基因变异,而这些变异的效果都是无法提前预料的。

弗朗西丝·阿诺德通过这项研究展示了利用概率和定向进化培育新酶的效果。这是人类朝掌握进化迈出的第一步、也是最具决定性的一步。

下一步研究由2013年逝世的荷兰研究者和企业家威勒姆·斯坦莫(Willem P。 C。 Stemmer)做出。他为酶的定向进化引入了一个新维度:在试管中展开基因配对。

配对——为了更稳定的进化

自然进化的前提之一是,来自不同生物体的基因要通过交配或传粉相互混合。这样一来,有益于生物的性质就可以相互结合,使生物更加强大。与此同时,对生物无益的基因变异则会在代代相传的过程中逐渐消失。

威勒姆·斯坦莫利用了 DNA 改组技术,相当于在试管中进行基因配对。1994年,他证明了可以将同一基因的不同版本切成若干小片段,然后在 DNA 技术工具的帮助下,将这些小片段整合成一段完整的基因。

经过几轮 DNA 改组之后,威勒姆·斯坦莫已经使酶发生了巨大变化,大大增强了酶的效果。这说明基因重组技术可以进一步提高酶进化的效率。

新型酶可生产可持续的生物燃料

DNA 工具自90年代以来一直在不断改良,定向进化方法也比从前多了几倍。弗朗西丝·阿诺德一直走在这些发展的前列。她所在实验室中制造的酶甚至能够催化自然界中不存在的化学反应,从而制造出全新的材料。经她“量身定做”的酶已经成为了多种物质的重要生产工具,如药物生产等。利用这些酶,化学反应速度得以大大提高,副产物也明显减少,在有些情况下,还能杜绝传统化学反应中重金属的使用,因此显著减小了对环境的影响。

事情总会不断循环,弗朗西丝·阿诺德如今又开始了对可再生能源生产的研究。她的研究团队研发了几种酶,能够把简单的糖类转化成异丁醇。这种物质富含能量,可用于生产生物燃料和环保塑料。他们的长期目标之一是,通过生产更环保的燃料,打造更有利于环境的交通运输行业。借阿诺德研发的酶制造的其它燃料还可用在小汽车和航天飞机上。由此看来,她研发的酶对更加绿色环保的世界做出了卓越贡献。

现在再将目光转向2018诺贝尔化学奖的另一项获奖研究:利用定向进化研发能够中和毒素、抗击自体免疫疾病、甚至治愈转移性癌症的新药。在这项研究中,一种能够感染细菌的小小病毒发挥了关键作用,该方法就叫做“噬菌体展示技术”。

史密斯利用噬菌体

科学研究往往不走寻常路。上世纪80年代上半叶,当乔治·史密斯开始利用噬菌体进行研究时,主要是希望能用它来克隆基因。当时 DNA 技术才刚刚起步,人类基因组仍是一块未发现的大陆。研究人员知道,DNA 中含有合成蛋白质所需的全部基因,但要确定合成某种特定蛋白质需要的基因,简直比大海捞针还难。

但有些科学家真的找到了这些基因,并从中获得了巨大的好处。利用当时最新的基因工具,这些基因可以被嵌入细菌中,如果运气好,就能大规模生产研究所需的蛋白质。这个过程就叫“基因克隆”。乔治·史密斯当时的想法是,研究人员们可以通过一种全新的方式,对噬菌体进行利用。

噬菌体——蛋白质与其未知基因之间的纽带

噬菌体非常简单。它们只含有很少的遗传物质,这些物质被封存在保护性的蛋白质外壳内。当它们繁殖时,它们会将自己的遗传物质注入细菌体内并劫持后者的新陈代谢作用。细菌的身体成了一座工厂,不断产生噬菌体的遗传物质复制品和蛋白质,这些物质将被合成新一代的噬菌体。

乔治·史密斯的想法是,我们或许可以利用噬菌体的简单结构来搜寻一种已知蛋白质的未知基因。此时,大型分子数据库已经出现了,其中包含有大量不同的未知基因片段。史密斯认为,这些未知的基因片段可以和噬菌体蛋白膜上的一种蛋白质的基因放到一起。当新的噬菌体产生时,对应于那些未知基因的蛋白质将出现在噬菌体的表面,作为其蛋白膜的一部分。

能够“钓出”正确蛋白质的抗体

这种方法产生的噬菌体表面将含有大量不同的蛋白质。在下一阶段,乔治·史密斯猜想,科学家们将可以使用抗体作为“钓钩”,从中“钓”出不同的已知蛋白质。抗体的作用有点像是精确制导弹药,它们可以在数十万的不同蛋白质中识别并与特定蛋白质相结合,精确度极高。如果科学家们使用抗体“鱼钩”真的“钓”到了什么,而这种抗体是他们知道附着于某种已知蛋白质的,那么他们也将顺手收获到同样属于这一蛋白质的一段当时未知的基因。

这种一个绝妙的想法,在1985年,乔治·史密斯证明这项技术是行得通的。他培育出一种表面携带有肽分子的噬菌体。借助一种抗体,他成功地从许许多多噬菌体中将他培育的那个特别的噬菌体“钓”了出来。通过这项实验,乔治·史密斯奠定了今天我们称之为“噬菌体展示”的技术的基础。这项技术具有惊人的简洁性。其强大功能在于,噬菌体被作为联系蛋白质与其对应基因的纽带。

然而,这项技术最大的突破意义却并不在基因复制领域。大约在1990年前后,几个研究组开始将这项技术应用于新型生物分子的开发。其中一位研究者正是格雷戈里•温特。正是得益于温特的工作,噬菌体展示技术能够服务于人类社会的最大福祉。而要想理解这背后的故事,我们还需要更进一步了解什么是抗体。

阻断疾病链条的抗体

人体的淋巴系统内含有一些细胞,其能够产生数以十万计的不同抗体。透过一种精妙的系统,这些细胞都会经过测试,使其产生的抗体不会与我们身体内的各种不同的分子发生结合。但这种巨大的多样性则意味着,总会有抗体会与感染我们身体的病毒或细菌发生结合。

当发生这种结合时,这些抗体会发出一个信号给免疫细胞,后者将过来消灭入侵者。由于抗体结合具有高度选择性,可以在数以十万计的各类分子中准确找到自己应该结合的目标,研究者们长期以来一直希望能够设计出一种抗体,其能够阻断人体内疾病发生的链条,从而起到类似药物的作用。最开始,我们需要获得这些治疗性抗体,实验小鼠被注射入各类不同目标物质,以进行相应药物的生产,比如取自癌细胞的蛋白质。

然而,在1980年代,事情变得越来越清晰,那就是这种方法存在自己的局限性,有些物质对于实验小鼠是有毒的,其他一些则无法得到抗体。另外,科学家们发现,透过这种方式获得的抗体会被病人的免疫系统识别为入侵者并加以攻击。这将导致来自小鼠的抗体被摧毁,患者还有患上其他并发症的风险。正是这一问题让格雷戈里•温特开始着手研究乔治·史密斯所开创的噬菌体展示技术的应用潜力。他想要避免使用小鼠,转而基于人类抗体进行药物开发,因为它们更加容易被我们的免疫系统所接受。

温特将抗体至于噬菌体的表面

抗体是Y型的分子,这种树杈状结构的两个分叉末端是与外来入侵物质进行结合的点位。格雷戈里•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,在1990年,他成功实现了抗体在噬菌体表面的结合。他所使用的抗体被设计为能够与一种被称作phOx的小分子进行结合。

随后,格雷戈里•温特使用phOx作为一种分子鱼钩,成功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。很快,格雷戈里•温特便证明,他可以将噬菌体展示技术应用于抗体的定向进化。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,他可以筛选出可以与不同目标蛋白质相结合的抗体。

随后,他随机性改变他的第一代抗体并创建一个新的数据库并在其中发现了与目标结合更加稳固的抗体。比如在1994年,他使用这种方法开发出能够与癌细胞相结合的抗体,具有相当高的精准性。

世界第一种基于人类抗体的药物

格雷戈里•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。在1990年代,这家公司开发出一种新药,其完全基于基于一种人类抗体:“阿达木单抗”(adalimumab)。这种抗体能够中和一种蛋白质TNF-α,这种蛋白质在许多自身免疫疾病中引发炎症。在2002年,这种药物被批准用于类风湿性关节炎,而现在这种药物更是被应用于不同类型的牛皮癣以及炎症性肠道疾病的治疗。

“阿达木单抗”的成功在制药行业掀起波澜,噬菌体展示技术被很快应用于生产癌症抗体和其他药物,其中有一种药物能够释放人体杀手细胞,以便后者去对肿瘤细胞发起攻击。肿瘤细胞的生长将被迟滞,甚至在某些案例中,成功治愈了患有转移性肿瘤的患者,这在肿瘤治疗史上是一项重要的成就。另一种已经被批准的抗体药物则可以被用于中和引发炭疽的细菌性毒素,还有一种药物可以缓解某些自身免疫疾病,如狼疮,还有更多的类似药物正处于临床实验阶段,其中包括对抗阿尔兹海默症的药物。

化学新纪元的开端

2018年诺贝尔化学奖获奖人所引入的方法已经得到全球广泛应用,它让化学工业变得更加绿色环保,帮助产生新的物质,生产数量可观的生物燃料,消除疾病,拯救生命。酶的定向进化以及抗体的噬菌体展示技术,让今年的三位获奖人弗朗西丝•阿诺德,乔治•史密斯以及格雷戈里•温特爵士得以帮助人类社会创造最大福祉,并对化学领域的一场深刻革命奠定了基础。(叶子,晨风,悠悠)

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