今天,2018年诺贝尔化学奖被授予将演变成化学家手中的力量。弗朗西斯·阿诺德承认了发明定向酶进化,而乔治·史密斯和格雷戈里冬天收到奖发现如何让细菌蛋白质的顺序。
什么是定向进化和与化学吗?
阿诺德自己总结得很好:“在定向进化在实验室我们提供一个新的细分市场,可以说,并鼓励进化酶来催化商业有用的反应。”
酶可以显著加快反应,同时在水在室温下进行工作。他们也很擅长做一个特定的债券——没有捉弄其他官能团,往往拆分。所以很容易理解为什么化学家使用酶来催化反应。
然而,许多债券化学家感兴趣的并不是由任何天然酶。这完全是因为生物从来没有需要进化的能力,例如,碳化硅债券。
它是如何工作的呢?我们不能让新酶从头开始吗?
尽管大多数酶是由只有20种不同的氨基酸,成千上万的这些蛋白质构件可以弥补每个酶。除了合成挑战,知道如何将它们连接到创建一个催化剂,会做一些有用的东西是非常困难的。这就是为什么阿诺德决定放弃这种方法,而是使用自然的复杂的机械,甚至允许细菌进化以塑料等合成的化合物为食。
与一种酶,这种酶定向进化开始类似于所需的属性。在她早期的工作,阿诺德创建一种酶,这种酶在有机溶剂裂解肽债券。天然蛋白质只有这水——事实上,有机溶剂改变其结构和停止工作。
阿诺德然后随机变化-突变引入peptide-cleaving酶的基因编码。不同版本的变异的基因被插入细菌开始大量生产很多,稍微不同的酶。阿诺德然后选中的细菌酶在有机溶剂最好的工作并对其进行了进一步的进化轮试管。
只有三代之后,创建一种酶在有机溶剂比原来更好256倍工作类型。
为什么这一发现获得了诺贝尔奖?
定向进化不仅创建了催化剂,可以做各种各样的复杂的化学反应,但也使制造酶和生物燃料更环保。
只是今年,阿诺德的团队发展一个血红素蛋白质紧张和超级紧张的戒指。他们还创建了一个突变大肠杆菌细菌的生物合成途径修改将糖转化为异丁醇-燃料和塑料的前兆。
这不仅仅是一种学术活动工作。阿诺德的许多创作已经进入工业设置。脂酶,通过定向进化,在大量生产并将其添加到洗涤剂分解脂肪。阿诺德的子公司Provivi通过定向进化发展生物农药。
那么其他发现承认诺贝尔奖,噬菌体展示?
它使用细菌感染病毒-称为噬菌体和让他们做出任何所需的蛋白质点,然后把它的外壳。方法是由乔治·史密斯发明,最初是为了找出哪些基因编码的蛋白质。
格雷格意识到冬天更可以用这种技术来完成。他抗体基因插入噬菌体,立即这些y形蛋白质插入他们的外套。抗体能够坚持细菌和病毒,表明免疫细胞摧毁这些入侵者。他们是有价值的治疗自身免疫性疾病和某些类型的癌症。
它是如何工作的呢?
噬菌体是极其简单的生物结构——一些人认为,他们甚至不能被称为“活着的”。他们由一些遗传物质包裹在一种胶囊的蛋白质。像其他病毒,他们不能繁殖,而是劫持一个细菌的新陈代谢。
史密斯意识到他可以插入任何基因的部分噬菌体的基因组包含其蛋白质外衣的蓝图。噬菌体复制时,插入的基因编码的蛋白质最终在噬菌体的外套。
随着噬菌体可以处理几乎所有的蛋白质,冬天开始使用噬菌体抗体。找到最好的抗体对抗疾病,他暴露了antibody-carrying噬菌体疾病的目标——例如蛋白质或DNA序列。
噬菌体的抗体不贴好这个目标在去除一个纯化步骤。那些表现良好受到新一轮的随机突变和寻找疾病的抗体最佳目标是重复。重复这个循环几次产生抗体,强烈绑定到他们的目标,在理论上,可以作为一种药物。
噬菌体展示为什么收到奖了吗?
噬菌体展示创造了一个全新的方法,使抗体。发明之前,科学家们不得不依赖小鼠产生抗体,经常不容忍的人的免疫系统使他们可怜的候选药物。抗体由噬菌体是人类,所以这不是一个问题。
2002年,第一个药物完全由噬菌体展示被批准。抗(adalimumab)中和炎症蛋白质驱动自身免疫性疾病如类风湿性关节炎和克罗恩病。它现在是世界上最大的销售药品,2016年销售额为160亿美元。
但它仍然是早期抗体药物和他们的潜力是巨大的。科学家们正在试图寻找杀死癌细胞或抗体治疗炭疽热。
这听起来像是两个非常不同的研究。什么链接?
噬菌体展示本质上是一个不同类型的定向进化。这两种方法都使用自然的生物合成机制:创建新分子定向进化使得新酶,噬菌体展示的发展更好的治疗性抗体。
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