2000年诺贝尔化学奖 2018年诺贝尔化学奖深度解读！

北京时间10月3日晚17: 30，2018年诺贝尔化学奖揭晓。来自加州理工学院的研究员弗朗西丝·阿诺德先生和美国密苏里大学的研究员乔治·P·史密斯先生与英国剑桥大学的研究员格雷戈里·温特爵士一起获得了这一奖项；其中，弗朗西斯·阿诺德因研究酶的定向进化而分享了一半的奖金。乔治·史密斯和格雷戈里·温特因在肽和抗体噬菌体展示技术方面的研究而分享了另一半奖金。

如今，定向进化技术开发的酶可以用来生产生物燃料和药物，而噬菌体展示技术生产的抗体有望抵抗多种疾病，包括自身免疫性疾病，甚至转移性癌症。我们生活在一个驱动力很强的星球上，那就是进化。自从37亿年前第一颗生命的种子出现以来，地球上几乎每一个缝隙里都会有适应环境的生物，比如光秃秃山坡上的地衣，温泉里的古细菌，沙漠里有鳞的爬行动物，深海里发光的水母等等。

在学校，我们会在生物课本上了解这些生物。地球上存在生命是因为进化经常解决许多复杂的化学问题。所有的生物都会从自己的生存环境中提取物质和能量，并利用它们来构建自己身体所需的独特化学成分。鱼可以在极地海洋中游泳，因为它们的血液和肌肉中含有抗冻蛋白，可以附着在岩石上，帮助产生水下分子胶，但这只是无数例子中的一个。

生物化学的光辉在于它融入到身体的基因中，使这种光辉得以继承和发展；基因的微小随机变化会改变其化学特性，有时产生较弱的生物体，有时产生较健壮的生物体。随着新化学学科的不断发展，地球上的生命变得越来越复杂。以上三位研究人员获得2018年诺贝尔化学奖，是因为他们通过定向进化使化学和新药开发发生了革命性的变化。先说酶工程之星弗朗西斯。阿诺德，开始说话。

图1:科学家利用进化研究并在实验室中深入探索

酶——生命中最锋利的化学工具

即使在1979年，作为一名刚毕业的机械和航天工程师，弗朗西斯·阿诺德也有一个清晰的愿景，那就是通过新技术造福人类。美国曾经说过，到2000年，20%的电力将来自可再生能源，那么研究员弗朗西斯·阿诺德？阿诺德开始研究太阳能的方向，但1981年总统大选后，这个行业的前景发生了根本性的变化，然后她转向研究新的DNA技术。正如她自己所表达的那样，通过重写生命代码的能力，一种制造日常生活所需材料和化学品的新方法将得以实现。

研究人员弗朗西斯(Frances)没有使用传统的化学方法生产药物、塑料和其他化学品(传统的化学方法通常需要强溶剂、重金属和腐蚀性酸)？阿诺德的想法是使用生命的化学工具:酶进行研究。酶可以催化地球上任何生物的化学反应。如果我们能尝试开发一种新型酶，弗朗西斯·阿诺德可能会改变整个化学研究领域。

人类思维有局限性

起初，弗朗西斯·阿诺德(Frances Arnold)像80年代末的许多科学家一样，试图用传统方法重建酶赋予的新特性，但酶是非常复杂的分子，由20种不同的氨基酸元素以不规则的方式组成，而单个酶由数千个氨基酸组成，它们往往以长链的形式连接在一起，从而折叠形成特殊的三维结构，在这些结构中，可以创造出催化特定化学反应的必要环境。

用逻辑来计算如何重塑复杂的结构来赋予酶一个新的特征似乎非常困难，即使用目前的知识和计算机技能也可能无法实现。90年代初，面对大自然的优越，弗朗西斯·阿诺德表现出谦逊。用她的话来说，她决定放弃这个有些自大的想法。相反，她从自然界本身优化化学的方法，即进化中找到了灵感。

图2:酶定向进化背后的机制

开始“玩”进化

多年来，弗朗西斯·阿诺德(Frances Arnold)试图修饰一种叫做枯草杆菌蛋白酶的酶，使其可以在有机溶剂(DMF，二甲基甲酰胺)中工作，而不是在水溶液中催化化学反应。现在，她随机改变了酶的遗传密码，然后将这些突变基因引入细菌，注意产生数千种不同突变形式的枯草杆菌蛋白酶。

此后，研究人员面临着找出哪些突变体在有机溶剂中表现出最佳效果的挑战。在进化过程中，我们说的是生存，而在定向进化中，这个阶段叫做选择阶段。研究人员使用枯草杆菌蛋白酶来破坏牛奶中的酪蛋白，然后她选择了在35%的二甲基甲酰胺溶剂中能最有效地破坏酪蛋白的枯草杆菌蛋白酶的突变形式，然后弗朗西斯·阿诺德(Frances Arnold)在枯草杆菌蛋白酶中引入了新一轮随机突变，从而衍生出一种在二甲基甲酰胺中表现更好的突变体。

在第三代枯草杆菌蛋白酶中，研究人员发现了一种特殊的突变体，其作用效率是原始酶的256倍。这种酶突变体有10种不同的突变组合，没有研究人员能预测它的益处；然后研究人员展示了这种定向选择的力量，这有助于提高新酶的产量。这也可能是研究人员迈出的革命性一步。下一个重要步骤由威廉·斯特梅尔完成，他是一名荷兰研究员，死于2013年。他描述了酶定向进化的另一个方面，即试管配对。

配对——获得更稳定的进化特征

比如，自然进化的前提是来自不同个体的基因通过配对或传粉的方式进行混合，往往结合有益的特性，同时会产生更强的生物体。同时，功能低下的基因突变会在世代进化过程中消失；威廉·斯特梅尔使用的试管相当于DNA改组。1994年，他证明了可以将不同版本的基因切割成小片段，然后借助DNA技术，研究人员将这些小片段拼接成一个完整的基因，即最初的拼接版本。

经过多次循环的DNA改组，威廉·斯特梅尔改变了酶，使它们比原来的酶更有效，这表明基因重组可能使酶更有效地进化。

新的酶可以生产可持续的生物燃料

自20世纪90年代初以来，DNA技术得到了改造，使定向进化的方法成倍增加。弗朗西斯·阿诺德在这些研究中处于领先地位，如果她实验室产生的酶能催化自然界不存在的化学反应，从而产生新材料。她定制的酶也成为制造药物等各种物质的重要工具；随着化学反应的加速，副产物会减少，在某些情况下，传统化学反应所需的重金属可能会被消除，从而大大减少对环境的影响。

事情似乎又回到了原点。弗朗西斯·阿诺德又开始生产可再生能源了。现在，她的研究团队可以开发将单糖转化为异丁醇的酶，异丁醇是一种富含能量的物质，可用于生产生物燃料和绿色塑料；研究人员的长期目标之一是生产运输燃料。如今，阿诺德的蛋白质产生的替代燃料可以用于骑自行车和飞行，她也通过这种方式为绿色世界做出了自己的贡献。

先说这个诺贝尔化学奖的第二部分。研究人员通过定向进化直接开发出特殊药物，可以帮助中和毒素，抵抗自身免疫性疾病的进展，有时甚至可以治疗转移性癌症。这是一种特殊的噬菌体展示技术的结果。

使用噬菌体进行研究

科研往往是一条不可预知的路。20世纪80年代初，乔治·史密斯开始用噬菌体感染细菌，希望被感染的细菌能克隆基因。那时候DNA技术还“年轻”，人类有机体的基因组就像一个新大陆。研究人员知道，人类基因组包含生产人类蛋白质所需的所有基因，但识别编码特定蛋白质的基因似乎像大海捞针一样困难。

但是，研究人员可以利用新的遗传工具将基因插入细菌基因组，使细菌产生大量蛋白质用于研究。整个过程叫做基因克隆，研究员乔治？史密斯的想法是，寻找基因的研究人员应该熟练使用噬菌体来完成他们的研究。

噬菌体——连接蛋白和未知基因的桥梁

噬菌体本质上非常简单，它是由蛋白质包裹的小块遗传物质组成的。在繁殖时，经常注射到细菌中，劫持细菌的代谢，然后细菌会产生新的噬菌体遗传物质和蛋白质，进而形成新的噬菌体。乔治·史密斯认为，研究人员应该利用噬菌体的简单结构来寻找编码已知蛋白质的未知基因。此时，研究人员已经建立了一个大分子文库，其中包含了大量未知的基因片段。乔治·史密斯说，这些未知的基因片段可以与噬菌体胶囊中编码蛋白质的基因结合。当一个新的噬菌体产生时，来自未知基因的特殊蛋白质最终会作为囊蛋白的一部分出现在噬菌体表面(见图3)。

图3:噬菌体展示技术示意图

抗体可以找到合适的蛋白质

这将导致表面带有不同蛋白质的噬菌体混合在一起。然后，研究人员乔治·史密斯(George Smith)假设，研究人员可以使用抗体找到含有许多已知蛋白质的噬菌体，抗体的功能类似于目标导弹，可以非常精确地有效识别和结合单个蛋白质。如果研究人员在混合噬菌体中发现了一些东西，并且他们知道这种抗体可以吸附在已知的蛋白质上，那么作为副产品，研究人员可以获得这种蛋白质的未知基因。

1985年，乔治·史密斯(George Smith)证明了这种方法是可行的，然后他生产了一种表面可以携带肽蛋白的噬菌体。使用这种抗体，研究人员可以从许多混合噬菌体液体中提取由它构建的噬菌体。

抗体可以阻止许多疾病的发展

人体淋巴系统中有多种细胞，这些细胞可以产生数百种不同的抗体。有了一个成熟的系统，所有这些细胞都可以被检测出来，这样就不会有抗体吸附在人体的多种分子上。然而，这种巨大的变化确保了总有一种抗体能够吸附感染宿主生物体的病毒或细菌。当抗体吸附在异物表面时，它会向机体的攻击性免疫细胞发出信号，告诉它们应该杀死入侵者。

由于抗体具有高度的选择性，可以吸附在成千上万个分子中的一个分子的表面，研究人员长期以来一直希望设计出能够阻止许多疾病进展的抗体。最初，为了获得这些治疗性抗体，研究人员给小鼠注射了不同的药物靶点，如来自癌细胞的蛋白质；然而，到了80年代，科学家们越来越意识到这种方法的局限性，有些方法对小鼠有毒性，而有些方法不能诱导小鼠产生抗体。此外，研究人员还发现，获得性抗体往往被患者的免疫系统识别为外来抗体，并攻击这些抗体，往往导致小鼠体内抗体的破坏，对患者存在副作用的风险。

将抗体置于噬菌体表面

抗体是一种Y形分子。研究员格雷格·温特将抗体的遗传信息与编码噬菌体包膜蛋白的基因联系起来。20世纪90年代，他证明了抗体的结合位点最终会出现在噬菌体表面，设计的抗体可以吸附名为phOx的分子。温特用phOx作为分子钩子时，成功地从400万个噬菌体混合物中筛选出携带抗体的噬菌体。

研究员格雷格·温特说，他可以在抗体的定向进化中使用噬菌体展示技术，然后他建立了一个可以携带数十亿抗体分子的噬菌体文库。在这个库中，研究人员可以筛选出吸附不同目标蛋白质的抗体。；随后，研究人员随机改变第一代抗体，创建了一个新的抗体库，发现库中的抗体对目标具有更强的吸附能力。例如，1994年，研究人员利用这种方法开发了一种抗体，它可以以更高的特异性吸附到癌细胞上。

图4:使用噬菌体展示技术的抗体定向进化示意图

世界上第一种基于人类抗体的药物

后来，研究员格雷格·温特和他的同事们建立了一家基于抗体噬菌体展示技术的公司。20世纪90年代，研究人员开发了一种完全基于人类抗体的药物——阿达木单抗，它可以中和名为肿瘤坏死因子-α的蛋白质，肿瘤坏死因子-α可以驱动许多自身免疫性疾病患者的炎症。2002年，这种药物被批准用于治疗类风湿性关节炎，也可以治疗各种类型的银屑病和炎症性肠病。

阿达木单抗的成功刺激了制药工业的持续发展。如今，噬菌体展示技术已经被用来产生多种癌症抗体，其中一种抗体可以释放人体的杀伤细胞，从而有效地攻击肿瘤，从而减缓肿瘤的生长，甚至在某些情况下可以治愈一些转移性癌症患者。这可能是癌症治疗领域的历史性突破；另一种被批准的抗体可以中和诱导炭疽的细菌毒素，其他抗体可以减缓红斑狼疮等自身免疫性疾病的进展。

化学研究领域新时代的开始

2018年诺贝尔化学奖得主发明的方法在国际上不断发展，可能会促进更绿色的化学工业，帮助开发新材料，制造可持续的生物燃料，帮助缓解人类疾病，拯救生命；酶的定向进化和噬菌体抗体展示技术也使这三位科学家为人类健康做出了应有的贡献，为化学研究领域的革命奠定了坚实的基础。

参考文献:[1]阿诺德，f . &；《美国国家空天技术研究所研究员:弗朗西斯·阿诺德博士访谈》。技术与创新，18，79-82

[2]哈丁(2006)格雷格·温特爵士——抗体的人道主义者。柳叶刀，368，S50

[3]南丁格尔，K. (2013)格雷格·温特:开创性的抗体药物。

[4]特雷格，R. (2018年)与弗朗西斯·阿诺德在原地。化学世界。

视频

[1]MoleQuickStv(2017年6月4日)Frances Arnold:新酶的进化

[2]slidslive(2015年11月23日)治疗性抗体:制药领域的一场革命