什么是定向进化?为什么它能获得诺贝尔化学奖?

今天,2018年诺贝尔化学奖因将进化的力量交到化学家手中而获奖。弗朗西斯·阿诺德乔治·史密斯和格雷戈里·温特因发现如何让细菌按顺序制造蛋白质而获奖。

什么是定向进化?它与化学有什么关系?

阿诺德自己总结得很好“可以说，在定向进化中，我们在实验室中提供了一个新的生态位，并鼓励酶的进化来催化商业上有用的反应。”

当酶在室温的水中工作时，它们可以显著地加速反应。它们也非常擅长形成一个特定的键——而不会干扰其他官能团——而且通常也是对映选择性的。所以很容易理解为什么化学家喜欢用酶来催化反应。

然而，化学家感兴趣的许多化学键并不是由任何天然酶形成的。这很简单，因为生物从来不需要进化制造的能力，例如，碳化硅债券．

它是如何工作的?难道我们不能从头开始制造新的酶吗?

尽管大多数酶是由只有20种不同的氨基酸在美国，每一种酶都由数千个蛋白质组成。除了合成的挑战，知道如何将它们连接起来，创造出有用的催化剂也是非常困难的。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机制，甚至允许细菌进化到以合成化合物如塑料为食．

定向进化开始于一种酶，这种酶具有与所需酶相似的特性。在她最早的工作中，阿诺德创造了一种酶，可以在有机溶剂中裂解肽键。天然蛋白质只有在水中才能这样做——事实上，有机溶剂改变了它的结构，使其停止工作。

然后，阿诺德将随机变化(突变)引入编码肽裂解酶的基因中。然后将不同版本的突变基因插入细菌中，细菌开始大量产生许多略有不同的酶。然后，阿诺德选择了酶在有机溶剂中最有效的细菌，并将它们置于进一步的试管进化中。

仅仅经过三代之后，一种酶就被创造出来了，它在有机溶剂中的效果是原来的酶的256倍。

为什么这个发现会获得诺贝尔奖?

定向进化不仅创造了可以进行各种复杂化学反应的催化剂，而且还使酶和生物燃料的制造更加环保。

就在今年，阿诺德的团队进化出了一种血红素蛋白紧张而且超张力环．他们还创造了一个突变体大肠杆菌将糖转化为异丁醇的细菌，异丁醇是燃料和塑料的前体。

这项工作不仅仅是学术练习。阿诺德的许多作品都被用于工业场景。经定向进化修饰的脂肪酶被大量生产，并添加到洗衣液中以分解脂肪。阿诺德自己的衍生公司Provivi通过定向进化开发生物农药。

那么另一项获得诺贝尔奖认可的发现——噬菌体展示呢?

它使用感染细菌的病毒——噬菌体——让它们按顺序制造所需的蛋白质，然后将其粘在外壳上。这种方法是乔治·史密斯发明的，最初是为了找出哪些基因编码哪些蛋白质。

格雷格·温特意识到这项技术可以做更多的事情。他将抗体基因插入噬菌体，噬菌体迅速将这些y型蛋白质插入到噬菌体的外壳中。抗体可以附着在细菌和病毒上，向免疫细胞发出信号，摧毁这些入侵者。它们是治疗自身免疫性疾病和某些类型癌症的有价值的方法。

它是如何工作的?

噬菌体是一种极其简单的生物结构——有人认为它们甚至不能被称为“活的”。它们由一些包裹在蛋白质胶囊中的遗传物质组成。像其他病毒一样，它们不能繁殖自己，而是劫持细菌的新陈代谢。

史密斯意识到，他可以将任何基因插入噬菌体基因组中包含蛋白质外壳蓝图的部分。当噬菌体复制时，插入基因编码的蛋白质最终会进入噬菌体的外壳。

由于噬菌体几乎可以与任何蛋白质一起工作，温特开始使用噬菌体制造抗体。为了找到对抗疾病的最佳抗体，他将携带抗体的噬菌体暴露在疾病靶标上——例如蛋白质或DNA序列。

抗体不能很好地粘附在这个目标上的噬菌体在纯化步骤中被去除。那些表现良好的人会经历一轮随机突变，并反复寻找对疾病目标最有效的抗体。重复这一循环几次就会产生抗体，这些抗体与它们的目标强烈结合，理论上可以用作药物。

为什么噬菌体展示获奖?

噬菌体展示创造了一种制造抗体的全新方法。在它被发明之前，科学家们不得不依靠老鼠来制造抗体，而人的免疫系统通常不能很好地耐受这些抗体，因此它们是糟糕的候选药物。噬菌体产生的抗体是人体的，所以这不是问题。

2002年，首个完全由噬菌体展示制造的药物获得批准。Humira(阿达木单抗)可以中和一种炎症蛋白，这种炎症蛋白会导致类风湿性关节炎和克罗恩病等自身免疫性疾病。它现在是世界上最畅销的药物，2016年的销售额为160亿美元。

但抗体药物仍处于早期阶段，其潜力巨大。科学家们现在正试图找到杀死癌细胞或治疗炭疽热的抗体。

这听起来像是两个完全不同的研究。它们之间有什么联系?

噬菌体展示本质上是一种不同类型的定向进化。这两种方法都利用自然界的生物合成机制来创造新分子:定向进化产生新的酶，噬菌体展示进化出更好的治疗性抗体。