驯服进化的力量

今年诺贝尔化学奖一半颁给弗兰西斯·阿诺德,奖励她实现了酶的定向进化;另一半颁发给乔治·史密斯和格里高利·温特,奖励他们实现了多肽和抗体的噬菌体呈现技术

生物的多样性展现了进化的力量。2018年诺贝尔化学奖得主们掌控了进化,并用它谋求对人类的最大利益。通过定向进化生产的酶现用来制造从生物燃料到药品的一切。采用噬菌体呈现技术进化出的抗体可以对抗自体免疫疾病,甚至治愈转移癌。

研究背景

      自从大约37亿年前最初的生命诞生起,不同的生命体填满了地球上几乎所有缝隙。生命遍布温泉、深海和干旱沙漠,这都是因为进化解决了许多化学问题。作为生命的化学工具,蛋白质经过优化、改变和更新,从而创造出惊人的多样性。

      今年的诺贝尔化学奖得主受到进化力量的启发,利用了同样的原理——遗传变异和选择——研发出能够解决人类化学问题的蛋白质。

  其中一半被授予弗兰西斯·阿诺德1993年,她第一次进行了酶(也即催化化学反应的蛋白质)的定向进化。后来她所改良的方法,如今已经日常用于新催化剂的开发。通过Arnold教授精简后生产的酶可以用来以更环保的方式制造化学物质,比如药物,还能生产可再生的燃料,让交通运输更加绿色环保。

Frances H. Arnold简介

        Frances H. Arnold教授是2018年诺贝尔化学奖的获奖人之一,也是继昨日唐娜·斯特里克兰(Donna Stricklan)获得诺贝尔物理学奖之后,又一位女性科学家收获诺奖。

     弗朗西丝?阿诺德出生于1956年7月25日,她是美国一位科学家和工程师。她开创了定向进化方法,用于制作有用的生物系统,包括:酶、代谢途径、遗传调节回路和有机体。1979年,她在普林斯顿大学获得了机械和航空航天工程学士学位,并获得了加州大学伯克利分校化学工程博士学位。在1986年来到加州理工学院之前,她取得了生物物理化学博士后学位。

  阿诺德在加州理工学院的研究领域是绿色化学和替代能源,其中包括:开发高活性酶(纤维素分解和生物合成酶)和微生物,将可再生生物质转化为燃料和化学物质。2016年,她成为获得“千禧技术奖”的首位女性。

深度解读:驯服进化的力量

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。

酶定向进化的基本原理。经过几个周期的定向进化之后,一种酶可能会有几千倍的效果。1、随机突变是随机引入基因的,这种酶最终会被改变;2、这些基因被插入细菌之中,细菌将它们作为模板,随机性制造突变酶;3、这种改变的酶物质已被测试,它们在催化所需化学反应方面十分有效。

      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。

——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。

驯服进化的力量,让进化的力量为人类所用。

编译来源:

1. https://old.nobelprize.org/che-press.pdf

2. http://www.che.caltech.edu/groups/fha/Pictures.htm

3. 李斌于国萍.食品酶工程.北京:中国农业大学出版社,2010:342-343


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