化学进化了2018年诺贝尔化学奖如何

今年早些时候,弗朗西斯·阿诺德告诉我们“自然是最好的化学家”。你只需要看看生活的多样性,看看她的意思。数十亿年来,进化了一个几乎无限多种分子,和化学反应途径,帮助地球的生物居住在几乎每一个角落。

的三人今年的诺贝尔化学奖正如诺贝尔委员会所说,“利用进化的力量”在分子水平上。阿诺德酶的定向进化的工作创造了生物系统启用了全新的化学和生物催化剂的生产绿色化学制造。她收到50%的奖金,剩余的一半之间共享乔治·史密斯和格雷格冬天噬菌体展示的开创性工作,发展新的蛋白质和抗体的一种方式,最终导致了药物的发展改善了数百万人的生命。

是广泛而深远的影响,定向进化策略有不同的科学学科,使它们值得一个诺贝尔奖,说鲁迪Fasan前阿诺德的博士后,现在经营着自己的实验室在美国罗彻斯特大学的。“他们已经彻底改变了我们的思维方式,”他说manbetx手机客户端3.0。

噬菌体的年龄

早在1980年代,乔治·史密斯不知道他的工作最终将导致医学的进步。

”当时我的视野很窄,他说在post-Nobel奖公告密苏里大学的新闻发布会上,美国,他是一个名誉教授。“我是专门找一个更容易的方法搜索大图书馆结合抗体的蛋白质。他热衷于强调,发现是严重依赖行之前,已经工作。“我碰巧在正确的时间在正确的位置。

那个地方是在实验室的生物化学家罗伯特•韦伯斯特杜克大学在美国北卡罗莱纳,他在那里工作了两年休假从密苏里州。当时,研究人员已成功地构建大量随机的肽和蛋白质库,但通过这些搜索蛋白质所需的活动——绑定到一个特定的抗体或目标,例如,是缓慢而费力,每个分子必须单独的筛选。也很难联系特定的蛋白质编码的基因序列。

我碰巧在正确的时间在正确的位置

乔治·史密斯

史密斯工作办法克服这些障碍使用丝状噬菌体-细菌感染病毒的简单的生理已经得到充分的研究。噬菌体的遗传物质包围——噬菌体外壳蛋白将自己的基因插入细菌的DNA复制产生更多的噬菌体。

他表明,如果一个基因片段插入到噬菌体基因的DNA在中间自己的外套蛋白之一,它将被复制在复制和肽或蛋白质编码的最终将“显示”在噬菌体表面,因此技术的名称。他推断,然后您可以搜索的混合噬菌体和“鱼”那些携带蛋白质结合强烈到一个特定的目标。因为噬菌体将包含原始的基因序列,这也是一种识别感兴趣的未知基因的蛋白质。

史密斯在1985年首次演示了使用57-amino酸长片段的限制性内切核酸酶插入到丝状噬菌体基因组内基因三世,编码一个外套的蛋白质。他展示了一种抗体,绑定到肽片段可以用来捕获包含外国的噬菌体肽的池。¹在接下来的几年里他精制方法和显示重复轮噬菌体展示可以用来选择蛋白抗体的亲和力最高目标。²

噬菌体展示将允许您创建大量克隆库与一百亿或一千亿结构,而不必搜索他们几个月一次您开发一种选择方式,身体退出的你想要的所以你可以扔掉,”史密斯在新闻发布会上说。

保罗Dalby伦敦大学学院的生物化学工程教授在英国工作时记得使用方法由史密斯噬菌体展示项目作为一个大学的博士后研究员费城在1990年代末。

“[我]的第一件事就是乔治·史密斯的协议副本笔记——这是一个复印件一份,走出他的实验室,”他回忆说。这有点像一个圣经噬菌体展示——每个人都开始使用这种技术。

技术迅速被其他组研究蛋白质,开始把它在新的方向。与此同时,史密斯的工作离开了噬菌体展示在1990年代在十年后他第一次证明它。那时候他还不知道最终会影响他的贡献。

史密斯克服很多技术壁垒使系统工作,“Dalby说。但这只是一个技术显示蛋白质和肽最初选择。”

这是冬天的工作在剑桥大学分子生物学实验室,英国,这将使噬菌体展示在药物开发启动一场革命。

大自然的防御

“我不知道有多少相信抗体制药行业,药品的化学物质,小分子,“说冬天。但我认为这是一个好主意——他们是我们正常的路线来保护我们免受病毒、细菌和病原体,所以为什么我们不能把它们对抗癌症,例如吗?”

史密斯的早期研究已经集中在操纵酶的结构。但他的兴趣转向了抗体的影响下乔治·科勒和塞萨尔MilsteinLMB,谁获得了1984年诺贝尔医学发展中单克隆抗体免疫细胞——那些由基因完全相同。

他知道所有抗体共享相同的基本结构,与相对较小的差异负责网站绑定到不同的目标。几年他的工作集中在使用这个“脚手架”工程师新的蛋白质。正是这种抗体的结构,最终使他的知识应用噬菌体展示的原则。当时,没有人显示任何一样复杂抗体-包括一个以上的多肽链在噬菌体表面,所以冬天使用的抗体片段的序列包含绑定地区。这意味着抗体的结合位点将展示在噬菌体表面的插入序列时外套的蛋白质的基因,并可能被钓出使用绑定的目标——一个分子称为phOx——一种逆转史密斯的原始实验:抗体在噬菌体的一部分,所做的选择目标。1990年冬季显示这可能工作,实现有史以来第一次折叠和功能齐全的噬菌体展示抗体片段。³

就像蛋白质一样,这为创造巨大的抗体库,铺平了道路和冬季继续表明,噬菌体展示抗体可以用来发展和更高的亲和力比传统的免疫方法获得的目标,使用重复轮突变和选择开发的高亲和性保留他们的特异性抗体为目标。⁴

与同事一起他成立了一个子公司,剑桥抗体技术(CAT),专注于抗体疗法。后经历发展在整个1990年代,世界上第一个基于人类单克隆抗体药物抗(adalimumab)——在2002年被批准。

新疗法

抗结合,抑制肿瘤坏死因子-α(TNF-α),细胞信号传导蛋白,促进与自身免疫性疾病相关的炎症。它最初开发治疗风湿性关节炎,但已经被批准用于对许多自身免疫性条件包括克罗恩病、银屑病和强直性脊柱炎,成为热门,仍然是世界上最畅销的药物,达到近185亿美元的收入(£140亿)于2017年。

抗体的优点是他们有一个结构,使得它们非常适合改变

格雷格冬天

抗的开发实验室技术转变成一个接受药物开发,”简Osbourn说,他一直站在猫自1990年代初以来,现在它的继任者MedImmune公司研发副总裁,旗下的阿斯利康。“[它]真的封闭抗体疗法在社区的声誉,曾持怀疑态度。她说冬天是一个巨大的出现在猫的早期——一个才华横溢,science-focused和好奇的领袖。他总是跟踪的最新发展和激励我们所有人做得更多。”

今天,噬菌体展示广泛用于制药和生物技术,还有很多抗体疗法用于病人或临床试验。“这项技术可以应用于任何疾病,从癌症到哮喘,糖尿病,等等。它帮助我们理解,我们可以使目标蛋白质抗体,Osbourn说。

在未来,研究人员将继续生成与额外的功能,更加奇异的抗体片段说冬天。抗体的优点是他们已经有了一个结构,使得它们非常适合改变。他们有很多的领域所以很容易插入另一个。”

他说,特别是bi-specific抗体的出现,那些可以绑定两个治疗目标是令人兴奋的。Bi-specifics可以将两种类型的细胞联系在一起,所以你可以把任何特定目标t细胞,我们看到这些了。最近的一个非常有趣的使用是罗氏的bi-specificHemlibra,模仿VIII因子凝血疾病患者。我认为有很多的情况下我们可以创建抗体模拟天然蛋白质。”

进化酶

虽然噬菌体展示的发明使研究人员产生新的蛋白质和抗体,阿诺德在1990年代的作品,可以发展一种酶。

”,然后你可以使用噬菌体展示变异的抗体或目标,但我们不能做的是同样的技术和应用于酶催化的反应更好,”Dalby说,谁花时间在1990年代试图适应噬菌体展示酶。他解释说,这是因为酶活性是由特征是不可能鱼使用噬菌体展示,如多少基质转换。弗朗西斯·阿诺德提出了一个并行技术的使用相同的概念。她把这个新领域,它真的迅速起飞。”

阿诺德并没有开始她的职业生涯作为一个分子生物学家。作为一个机械和航空航天工程师她毕业后从事设计太阳能设施,之前把注意力转向蛋白质。起初,她合理的设计很感兴趣,想直接重建蛋白质的结构使其功能不同。她描述的幸福不知道这将涉及的挑战。

我没有意识到这将是多么困难的工程师更好的蛋白质。这是DNA革命的开始,我们只是学习如何操纵DNA和人类的生活目的的代码,但我们不懂规则,”阿诺德说manbetx手机客户端3.0。她开始考虑进化方法——理论是由德国生物化学家曼弗雷德特征1980年代,但从未成功地演示了——当“绝望中设置”,她说。

“我看起来明显可以规避无知的序列编码函数通过随机突变,让系统显示你的规则是什么,”阿诺德说。时间是正确的,因为那里的方法——杰里·乔伊斯出版易错PCR方法这是非常有用的新变异[和]筛选功能成为可能,所以我可以分析数以百计的酶的时间通常需要分析一个。”

我们发现有益突变,将改善的酶活性20-30A远离活性部位

弗朗西斯·阿诺德

在第一个演示一种酶的定向进化,阿诺德开发出一种版本的枯草杆菌蛋白酶酶E,能够工作在一个非常不同的环境的适应,在有机溶剂的存在。她用聚合酶链反应(PCR)的一个版本引入随机突变酶的基因序列和测试成千上万的变异分解蛋白质的能力在二甲基甲酰胺溶液35%酪蛋白,选择最有效的,让他们进一步的变异和选择。在三代她发现了一个版本的枯草杆菌蛋白酶10突变在DMF比原来更好250倍。⁵

阿诺德几乎立刻知道她到一些特别的东西。我知道这将是重要的(因为)突变,授予利益是令人惊讶的。所有所谓的规则,人们想出了如何设计一个蛋白质不能占蛋白质认为它应该如何设计,”她说。“我们发现有益突变,提高酶活性20-30A远离活性部位,例如,或稳定表面的蛋白质的突变。这似乎是显而易见的,但它不是。”

一种新型的催化

阿诺德继续表明,各种酶的性质,包括最佳的温度函数,其稳定性或对特定底物的催化活性,可以改变使用加速版的过程发生在自然进化:“父”中产生变异酶通过引入基因突变,选择最有效的“后代”通过筛查,并重复这个过程。

Fasan阿诺德说最初的方法在技术上易于实现,这意味着其他研究人员迅速采取定向进化改变多种酶。从那时起,这些技术已经在许多方面进一步发展和解决其他类型的问题,如适应酶识别非底物和/或改善其化疗,区,和/或立体选择性上下文中的一个特定的化学转换,”他说。一个地区快速增长的重要性,他说,是使用进化酶药物合成。Laboratory-evolved酶到目前为止使用的工业催化剂生产中间体生产中降低胆固醇的药物立普妥(阿托伐他汀)和抗糖尿病药Januvia(例如,sitagliptin)。

“sitagliptin情况尤其令人印象深刻,”Fasan说。“biocatalytic过程涉及laboratory-evolved转氨酶酶可以替代的chemocatalytic过程制备的这种药物的关键中间体,带来生产力的显著增加,同时减少浪费与整个过程,以及消除有毒金属的使用。”

绿色机器

一个特别兴奋阿诺德自己是绿色化学进化酶的使用。‘我想让酶可以做有用的化学,目前正在以一个不可持续的方式完成,”她说。我的想法来自人造的化学。我看着人们用铱铑和我说“一个生物系统,如果我训练得很好吗?“答案是肯定的——很多化学可以编码在DNA。

回到她最初的野心可再生能源,阿诺已开发出生物催化剂,可以使微生物将单糖转化为潜在的生物燃料,如异丁醇直接进化的两种酶生物合成途径中使用的正常新陈代谢的副产品大肠杆菌代数余子式。⁶

这个化学反应是可能的,也许酶是最有效的方法

弗朗西斯·阿诺德

在最近的一个发展成为世界各地的头条新闻,她的团队最近成功的第一个酶可以催化形成碳化硅债券,未见的自然反应。为此,他们进化的细胞色素c温泉细菌Rhodothermus绿,这是能够促进碳化硅bond-forming反应但不作为其主要功能,和极低的效率。经过几轮的有针对性的突变和选择酶可以催化碳烯插入silicon-hydrogen债券比40倍酶和开始,激动人心的是,更高的效率比最著名的合成催化剂同样的反应。⁷

阿诺德希望通过微调酶催化新反应,我们最终会看到未来,取代了传统的化工厂biocatalytic微生物能够以可持续的方式进行工业过程,不受重金属。

“我集团已显示在过去的几年里,简单,地球上充足的铁在酶只能催化反应,人们以前与铱催化,例如。精彩的对我们所有人来说,因为它告诉我们,这个化学是可能的,甚至酶是最有效的方式来做到这一点。”

合理满足随机

定向进化是绝不限于酶广泛存在于自然界中。研究人员开始显示出它可以结合计算方法用于工程师从零开始全新的蛋白质和酶。

的计算已经走了很长的路,尤其是蛋白质的设计,但功能仍然困难,这就是进化真的帮助,因为它可以让我们在终点线,”说唐纳德Hilvert在苏黎世的瑞士联邦理工学院,他的集团已经与计算蛋白质的设计师合作,等大卫•贝克美国西雅图华盛顿大学的创建执行有用的生物催化剂的反应在自然界发现的,包括醇醛冷凝和4 + 2环加。⁸

计算提供我们进门,但活动远远低于你会联想到一个非常活跃的天然酶,“Hilvert说。我们应用迭代周期的诱变和筛选优化它们的属性。在某些情况下我们可以通过五个数量级提高开始活动。经常在进化过程中,我们发现,最初的设计可以被推翻的更有效,因此进化可以相当的创造力在告诉我们如何完成特定的任务。

我要做我的工作,但我也希望支持科学所做的年轻人

弗朗西斯·阿诺德

该领域进一步提振了大规模筛选化验加快选择过程,以及如何突变酶的进步首先,他说。你可以做事情完全随机或你可以集中你的注意力在特定区域的一种蛋白质。你可以随机选择活性部位或特定的蛋白质的氨基酸。

进一步的技术进步将带来更多的酶可以改善方式,Hilvert认为。有巨大的机会,设计新的材料和新的催化剂。我认为我们只是开始。”

阿诺德认为我们甚至没有接近定向进化所能达到的极限。获得诺贝尔奖之后,她希望继续她的研究小组,虽然她也希望关注奖将激励的研究人员采用她的一些实验室的技术。我想要做我的工作,但我也想支持科学由年轻人和我现在可以以一种积极的方式,”她说。有很多年轻的化学教授认为这是一个非常有趣的路要走,和他们的创造力会导致一些非常有趣的转换。