據(jù)國外媒體報道，進化的力量在生物的多樣性中得到了充分展現(xiàn)。2018諾貝爾化學獎頒發(fā)給弗朗西絲·阿諾德、喬治·史密斯和格雷戈里·溫特爵士，獎勵他們研發(fā)出控制進化過程的方法、并利用這些方法造福人類。通過定向進化制造的酶可用于生產(chǎn)各類產(chǎn)品，包括生物燃料、藥品等等。利用噬菌體展示技術(shù)生產(chǎn)的抗體能夠?qū)棺泽w免疫疾病，在有些情況下甚至能治愈轉(zhuǎn)移性癌癥。
在我們生活的地球上，有一支名為“進化”的強大力量。自37億年前地球上出現(xiàn)首批生命以來，幾乎每寸地表中都填滿了不斷對環(huán)境做出適應(yīng)的生命體：比如生長在貧瘠山脊上的地衣，在熱泉中頑強生存的藻類，干燥沙漠中渾身披甲的爬行動物，以及在黑暗的深海中閃閃發(fā)光的水母。
我們在生物課上都學過這些生物，但現(xiàn)在讓我們轉(zhuǎn)變一下視角，從化學家的角度看待它們。地球上的生物之所以能存活下去，是因為進化幫它們解決了無數(shù)復(fù)雜的化學問題。所有生物都能從周邊環(huán)境中提取可用的物質(zhì)和能量，用它們合成自己所需的獨特化學成分。魚的血液中含有防凍蛋白質(zhì)，因此它們在極地冰洋中也能暢游無阻；貝類能分泌一種水下分子膠，因此可以牢牢粘附在巖石上。
這些化學反應(yīng)的絕妙之處在于，它們已經(jīng)被編寫進了我們的基因中，能夠代代相傳、不斷演變?；蛉绻l(fā)生了一點兒意外變化，就會改變這種化學反應(yīng)。有時這會削弱生物體的生存能力，有時則會讓該生物變得更加強大。隨著新的化學反應(yīng)逐漸出現(xiàn)，地球上的生命也變得愈加復(fù)雜。
酶定向進化的基本原理。經(jīng)過幾個周期的定向進化之后，一種酶可能會有幾千倍的效果。1、隨機突變是隨機引入基因的，這種酶最終會被改變；2、這些基因被插入細菌之中，細菌將它們作為模板，隨機性制造突變酶；3、這種改變的酶物質(zhì)已被測試，它們在催化所需化學反應(yīng)方面十分有效。
受益于這些進化過程，有三個人竟然復(fù)雜到自己掌握了控制進化過程的能力。2018年諾貝爾化學獎頒給了弗朗西絲·阿諾德、喬治·史密斯和格雷戈里·溫特爵士三人，因為他們使化學界發(fā)生了革命性變化，并通過定向進化技術(shù)促進了新藥的研發(fā)。首先來介紹一下酶工程領(lǐng)域的明星：弗朗西絲·阿諾德。
酶——生命最強大的化學工具
早在1979年、弗朗西絲·阿諾德還是一名剛畢業(yè)的機械與航空航天工程師時，她就已經(jīng)有了一套明確的規(guī)劃，希望通過新技術(shù)的研發(fā)造福人類。美國當時決定，到2000年前，20%的能源都要由可再生能源提供。于是阿諾德也參與了太陽能的研究。但到了1981年總統(tǒng)大選之后，該行業(yè)的前景預(yù)期發(fā)生了巨變，因此阿諾德將研究重點轉(zhuǎn)向了新興的DNA技術(shù)。她對此表示：“要想以全新的方式制造我們?nèi)粘Ｋ璧牟牧吓c化學物質(zhì)，就需要重新改寫生命編碼?！?/p>
她并未打算采用傳統(tǒng)化學方法生產(chǎn)藥物、塑料和其它化學物質(zhì)，因為這些方法往往要用到強效溶劑、重金屬和腐蝕性酸。相反，她決定利用生命的化學工具——酶。酶能夠催化生物體內(nèi)的化學反應(yīng)。假如阿諾德能掌握制造新酶的方法，就能根本性地改變化學界。
人類思維的局限性
弗朗西絲·阿諾德一開始像其他很多80年代末的科學家一樣，試圖通過重新搭建酶的結(jié)構(gòu)來賦予它們新的性質(zhì)。但酶的分子結(jié)構(gòu)極為復(fù)雜，由20種不同的氨基酸分子構(gòu)成，且聯(lián)結(jié)方式可能多達無限種。單個酶中可能包含數(shù)千個氨基酸分子，它們相互聯(lián)結(jié)成一條長鏈，再折疊成空間三維結(jié)構(gòu)。催化特定化學反應(yīng)所需的環(huán)境就是在這些結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的。
即使利用目前的化學知識和計算機，也很難通過邏輯破解和重建這些極為復(fù)雜的分子結(jié)構(gòu)。因此在90年代初，弗朗西絲·阿諾德面對大自然的強大力量，選擇了放棄。用她的話來說，這種方法“顯得有些不自量力”。她決定在大自然優(yōu)化化學反應(yīng)的方法——進化中尋求靈感。
阿諾德開始研究進化
她花了幾年時間，試圖改變一種名叫“枯草桿菌蛋白酶”的酶，讓它能夠在有機溶劑“亞甲基甲硫胺（DMF）”、而非水基溶劑中催化化學反應(yīng)。她先讓這種酶的遺傳編碼發(fā)生隨機變異，再把這些變異基因引入到細菌中，這樣就培育出了數(shù)千種枯草桿菌蛋白酶的變種。
接下來的挑戰(zhàn)是，從這么多變種中找出在有機溶劑中催化效果最好的一種。在進化中，我們會說適者生存；而在定向進化中，我們把這一階段叫做“選擇”。
弗朗西絲·阿諾德利用了枯草桿菌蛋白酶能夠分解酪蛋白的性質(zhì)。她先是選出了在含有35%亞甲基甲硫胺的溶液中分解酪蛋白效果最好的枯草桿菌蛋白酶變種，然后再讓這種蛋白酶基因發(fā)生一輪隨機變異，從而培育出了在亞甲基甲硫胺溶液中效果更好的新變種。
在第三代枯草桿菌蛋白酶中，她找到了一種效果勝過原始蛋白酶256倍的變種。該變種中含有十多種不同的基因變異，而這些變異的效果都是無法提前預(yù)料的。
弗朗西絲·阿諾德通過這項研究展示了利用概率和定向進化培育新酶的效果。這是人類朝掌握進化邁出的第一步、也是最具決定性的一步。
下一步研究由2013年逝世的荷蘭研究者和企業(yè)家威勒姆·斯坦莫（Willem P。C。Stemmer）做出。他為酶的定向進化引入了一個新維度：在試管中展開基因配對。
配對——為了更穩(wěn)定的進化
自然進化的前提之一是，來自不同生物體的基因要通過交配或傳粉相互混合。這樣一來，有益于生物的性質(zhì)就可以相互結(jié)合，使生物更加強大。與此同時，對生物無益的基因變異則會在代代相傳的過程中逐漸消失。
威勒姆·斯坦莫利用了DNA改組技術(shù)，相當于在試管中進行基因配對。1994年，他證明了可以將同一基因的不同版本切成若干小片段，然后在DNA技術(shù)工具的幫助下，將這些小片段整合成一段完整的基因。
經(jīng)過幾輪DNA改組之后，威勒姆·斯坦莫已經(jīng)使酶發(fā)生了巨大變化，大大增強了酶的效果。這說明基因重組技術(shù)可以進一步提高酶進化的效率。
新型酶可生產(chǎn)可持續(xù)的生物燃料
DNA工具自90年代以來一直在不斷改良，定向進化方法也比從前多了幾倍。弗朗西絲·阿諾德一直走在這些發(fā)展的前列。她所在實驗室中制造的酶甚至能夠催化自然界中不存在的化學反應(yīng)，從而制造出全新的材料。經(jīng)她“量身定做”的酶已經(jīng)成為了多種物質(zhì)的重要生產(chǎn)工具，如藥物生產(chǎn)等。利用這些酶，化學反應(yīng)速度得以大大提高，副產(chǎn)物也明顯減少，在有些情況下，還能杜絕傳統(tǒng)化學反應(yīng)中重金屬的使用，因此顯著減小了對環(huán)境的影響。
事情總會不斷循環(huán)，弗朗西絲·阿諾德如今又開始了對可再生能源生產(chǎn)的研究。她的研究團隊研發(fā)了幾種酶，能夠把簡單的糖類轉(zhuǎn)化成異丁醇。這種物質(zhì)富含能量，可用于生產(chǎn)生物燃料和環(huán)保塑料。他們的長期目標之一是，通過生產(chǎn)更環(huán)保的燃料，打造更有利于環(huán)境的交通運輸行業(yè)。借阿諾德研發(fā)的酶制造的其它燃料還可用在小汽車和航天飛機上。由此看來，她研發(fā)的酶對更加綠色環(huán)保的世界做出了卓越貢獻。
現(xiàn)在再將目光轉(zhuǎn)向2018諾貝爾化學獎的另一項獲獎研究：利用定向進化研發(fā)能夠中和毒素、抗擊自體免疫疾病、甚至治愈轉(zhuǎn)移性癌癥的新藥。在這項研究中，一種能夠感染細菌的小小病毒發(fā)揮了關(guān)鍵作用，該方法就叫做“噬菌體展示技術(shù)”。
噬菌體展示——這是喬治·史密斯開發(fā)的一種基于已知蛋白質(zhì)尋找未知基因的方法。1、史密斯在噬菌體膠囊中引入一種基因，之后噬菌體DNA被插入制造噬菌體的細菌體內(nèi)；2、從引入基因制造的肽可作為噬菌體表面的部分蛋白質(zhì)膠囊；3、史密斯能夠用一種附著在肽上的抗體清除噬菌體，作為獎勵，他獲得了肽的基因。
史密斯利用噬菌體
科學研究往往不走尋常路。上世紀80年代上半葉，當喬治·史密斯開始利用噬菌體進行研究時，主要是希望能用它來克隆基因。當時DNA技術(shù)才剛剛起步，人類基因組仍是一塊未發(fā)現(xiàn)的大陸。研究人員知道，DNA中含有合成蛋白質(zhì)所需的全部基因，但要確定合成某種特定蛋白質(zhì)需要的基因，簡直比大海撈針還難。
但有些科學家真的找到了這些基因，并從中獲得了巨大的好處。利用當時最新的基因工具，這些基因可以被嵌入細菌中，如果運氣好，就能大規(guī)模生產(chǎn)研究所需的蛋白質(zhì)。這個過程就叫“基因克隆”。喬治·史密斯當時的想法是，研究人員們可以通過一種全新的方式，對噬菌體進行利用。
噬菌體——蛋白質(zhì)與其未知基因之間的紐帶
噬菌體非常簡單。它們只含有很少的遺傳物質(zhì)，這些物質(zhì)被封存在保護性的蛋白質(zhì)外殼內(nèi)。當它們繁殖時，它們會將自己的遺傳物質(zhì)注入細菌體內(nèi)并劫持后者的新陳代謝作用。細菌的身體成了一座工廠，不斷產(chǎn)生噬菌體的遺傳物質(zhì)復(fù)制品和蛋白質(zhì)，這些物質(zhì)將被合成新一代的噬菌體。
喬治·史密斯的想法是，我們或許可以利用噬菌體的簡單結(jié)構(gòu)來搜尋一種已知蛋白質(zhì)的未知基因。此時，大型分子數(shù)據(jù)庫已經(jīng)出現(xiàn)了，其中包含有大量不同的未知基因片段。史密斯認為，這些未知的基因片段可以和噬菌體蛋白膜上的一種蛋白質(zhì)的基因放到一起。當新的噬菌體產(chǎn)生時，對應(yīng)于那些未知基因的蛋白質(zhì)將出現(xiàn)在噬菌體的表面，作為其蛋白膜的一部分。
能夠“釣出”正確蛋白質(zhì)的抗體
這種方法產(chǎn)生的噬菌體表面將含有大量不同的蛋白質(zhì)。在下一階段，喬治·史密斯猜想，科學家們將可以使用抗體作為“釣鉤”，從中“釣”出不同的已知蛋白質(zhì)。抗體的作用有點像是精確制導(dǎo)彈藥，它們可以在數(shù)十萬的不同蛋白質(zhì)中識別并與特定蛋白質(zhì)相結(jié)合，精確度極高。如果科學家們使用抗體“魚鉤”真的“釣”到了什么，而這種抗體是他們知道附著于某種已知蛋白質(zhì)的，那么他們也將順手收獲到同樣屬于這一蛋白質(zhì)的一段當時未知的基因。
這種一個絕妙的想法，在1985年，喬治·史密斯證明這項技術(shù)是行得通的。他培育出一種表面攜帶有肽分子的噬菌體。借助一種抗體，他成功地從許許多多噬菌體中將他培育的那個特別的噬菌體“釣”了出來。通過這項實驗，喬治·史密斯奠定了今天我們稱之為“噬菌體展示”的技術(shù)的基礎(chǔ)。這項技術(shù)具有驚人的簡潔性。其強大功能在于，噬菌體被作為聯(lián)系蛋白質(zhì)與其對應(yīng)基因的紐帶。
然而，這項技術(shù)最大的突破意義卻并不在基因復(fù)制領(lǐng)域。大約在1990年前后，幾個研究組開始將這項技術(shù)應(yīng)用于新型生物分子的開發(fā)。其中一位研究者正是格雷戈里·溫特。正是得益于溫特的工作，噬菌體展示技術(shù)能夠服務(wù)于人類社會的最大福祉。而要想理解這背后的故事，我們還需要更進一步了解什么是抗體。
使用噬菌體展示的抗體定向進化原理。該方法被用于生產(chǎn)新的藥物。1、抗體結(jié)合位點的遺傳信息被插入到噬菌體DNA之中。此后可用于創(chuàng)建一個具有多樣性的抗體庫；2、對于一個被選定特殊目標、具有強附著性的噬菌體；3、在進行另一種選擇之前，隨機突變將被引入，附著在目標抗體上；4、隨著新一代抗體的出現(xiàn)，抗體會更加強烈地附著在目標蛋白質(zhì)上。
阻斷疾病鏈條的抗體
人體的淋巴系統(tǒng)內(nèi)含有一些細胞，其能夠產(chǎn)生數(shù)以十萬計的不同抗體。透過一種精妙的系統(tǒng)，這些細胞都會經(jīng)過測試，使其產(chǎn)生的抗體不會與我們身體內(nèi)的各種不同的分子發(fā)生結(jié)合。但這種巨大的多樣性則意味著，總會有抗體會與感染我們身體的病毒或細菌發(fā)生結(jié)合。
當發(fā)生這種結(jié)合時，這些抗體會發(fā)出一個信號給免疫細胞，后者將過來消滅入侵者。由于抗體結(jié)合具有高度選擇性，可以在數(shù)以十萬計的各類分子中準確找到自己應(yīng)該結(jié)合的目標，研究者們長期以來一直希望能夠設(shè)計出一種抗體，其能夠阻斷人體內(nèi)疾病發(fā)生的鏈條，從而起到類似藥物的作用。最開始，我們需要獲得這些治療性抗體，實驗小鼠被注射入各類不同目標物質(zhì)，以進行相應(yīng)藥物的生產(chǎn)，比如取自癌細胞的蛋白質(zhì)。
然而，在1980年代，事情變得越來越清晰，那就是這種方法存在自己的局限性，有些物質(zhì)對于實驗小鼠是有毒的，其他一些則無法得到抗體。另外，科學家們發(fā)現(xiàn)，透過這種方式獲得的抗體會被病人的免疫系統(tǒng)識別為入侵者并加以攻擊。這將導(dǎo)致來自小鼠的抗體被摧毀，患者還有患上其他并發(fā)癥的風險。正是這一問題讓格雷戈里·溫特開始著手研究喬治·史密斯所開創(chuàng)的噬菌體展示技術(shù)的應(yīng)用潛力。他想要避免使用小鼠，轉(zhuǎn)而基于人類抗體進行藥物開發(fā)，因為它們更加容易被我們的免疫系統(tǒng)所接受。
溫特將抗體至于噬菌體的表面
抗體是Y型的分子，這種樹杈狀結(jié)構(gòu)的兩個分叉末端是與外來入侵物質(zhì)進行結(jié)合的點位。格雷戈里·溫特將抗體這一部分的對應(yīng)基因信息與噬菌體的一個莢膜蛋白對應(yīng)基因信息進行結(jié)合，在1990年，他成功實現(xiàn)了抗體在噬菌體表面的結(jié)合。他所使用的抗體被設(shè)計為能夠與一種被稱作phOx的小分子進行結(jié)合。
隨后，格雷戈里·溫特使用phOx作為一種分子魚鉤，成功將表面上結(jié)合有抗體的噬菌體從其他數(shù)以百萬計的噬菌體中分離出來。很快，格雷戈里·溫特便證明，他可以將噬菌體展示技術(shù)應(yīng)用于抗體的定向進化。他建立起一個噬菌體數(shù)據(jù)庫，記錄噬菌體表面抗體的數(shù)十億種變化?；谶@一數(shù)據(jù)庫，他可以篩選出可以與不同目標蛋白質(zhì)相結(jié)合的抗體。
隨后，他隨機性改變他的第一代抗體并創(chuàng)建一個新的數(shù)據(jù)庫并在其中發(fā)現(xiàn)了與目標結(jié)合更加穩(wěn)固的抗體。比如在1994年，他使用這種方法開發(fā)出能夠與癌細胞相結(jié)合的抗體，具有相當高的精準性。
世界第一種基于人類抗體的藥物
格雷戈里·溫特和同事們創(chuàng)立了一家基于抗體噬菌體展示技術(shù)的公司。在1990年代，這家公司開發(fā)出一種新藥，其完全基于基于一種人類抗體：“阿達木單抗”（adalimumab）。這種抗體能夠中和一種蛋白質(zhì)TNF-α，這種蛋白質(zhì)在許多自身免疫疾病中引發(fā)炎癥。在2002年，這種藥物被批準用于類風濕性關(guān)節(jié)炎，而現(xiàn)在這種藥物更是被應(yīng)用于不同類型的牛皮癬以及炎癥性腸道疾病的治療。
“阿達木單抗”的成功在制藥行業(yè)掀起波瀾，噬菌體展示技術(shù)被很快應(yīng)用于生產(chǎn)癌癥抗體和其他藥物，其中有一種藥物能夠釋放人體殺手細胞，以便后者去對腫瘤細胞發(fā)起攻擊。腫瘤細胞的生長將被遲滯，甚至在某些案例中，成功治愈了患有轉(zhuǎn)移性腫瘤的患者，這在腫瘤治療史上是一項重要的成就。另一種已經(jīng)被批準的抗體藥物則可以被用于中和引發(fā)炭疽的細菌性毒素，還有一種藥物可以緩解某些自身免疫疾病，如狼瘡，還有更多的類似藥物正處于臨床實驗階段，其中包括對抗阿爾茲海默癥的藥物。
化學新紀元的開端
2018年諾貝爾化學獎獲獎人所引入的方法已經(jīng)得到全球廣泛應(yīng)用，它讓化學工業(yè)變得更加綠色環(huán)保，幫助產(chǎn)生新的物質(zhì)，生產(chǎn)數(shù)量可觀的生物燃料，消除疾病，拯救生命。酶的定向進化以及抗體的噬菌體展示技術(shù)，讓今年的三位獲獎人弗朗西絲·阿諾德，喬治·史密斯以及格雷戈里·溫特爵士得以幫助人類社會創(chuàng)造最大福祉，并對化學領(lǐng)域的一場深刻革命奠定了基礎(chǔ)。
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