今年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)一半頒給弗蘭西斯·阿諾德，獎(jiǎng)勵(lì)她實(shí)現(xiàn)了酶的定向進(jìn)化；另一半頒發(fā)給喬治·史密斯和格里高利·溫特，獎(jiǎng)勵(lì)他們實(shí)現(xiàn)了多肽和抗體的噬菌體呈現(xiàn)技術(shù)。

生物的多樣性展現(xiàn)了進(jìn)化的力量。2018年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)得主們掌控了進(jìn)化，并用它謀求對(duì)人類(lèi)的最大利益。通過(guò)定向進(jìn)化生產(chǎn)的酶現(xiàn)用來(lái)制造從生物燃料到藥品的一切。采用噬菌體呈現(xiàn)技術(shù)進(jìn)化出的抗體可以對(duì)抗自體免疫疾病，甚至治愈轉(zhuǎn)移癌。

研究背景

      自從大約37億年前最初的生命誕生起，不同的生命體填滿(mǎn)了地球上幾乎所有縫隙。生命遍布溫泉、深海和干旱沙漠，這都是因?yàn)?/span>進(jìn)化解決了許多化學(xué)問(wèn)題。作為生命的化學(xué)工具，蛋白質(zhì)經(jīng)過(guò)優(yōu)化、改變和更新，從而創(chuàng)造出驚人的多樣性。

      今年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)得主受到進(jìn)化力量的啟發(fā)，利用了同樣的原理——遺傳變異和選擇——研發(fā)出能夠解決人類(lèi)化學(xué)問(wèn)題的蛋白質(zhì)。

  其中一半被授予弗蘭西斯·阿諾德。1993年，她第一次進(jìn)行了酶（也即催化化學(xué)反應(yīng)的蛋白質(zhì)）的定向進(jìn)化。后來(lái)她所改良的方法，如今已經(jīng)日常用于新催化劑的開(kāi)發(fā)。通過(guò)Arnold教授精簡(jiǎn)后生產(chǎn)的酶可以用來(lái)以更環(huán)保的方式制造化學(xué)物質(zhì)，比如藥物，還能生產(chǎn)可再生的燃料，讓交通運(yùn)輸更加綠色環(huán)保。

Frances H. Arnold簡(jiǎn)介

        Frances H. Arnold教授是2018年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)的獲獎(jiǎng)人之一，也是繼昨日唐娜·斯特里克蘭（Donna Stricklan）獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)之后，又一位女性科學(xué)家收獲諾獎(jiǎng)。

     弗朗西絲?阿諾德出生于1956年7月25日，她是美國(guó)一位科學(xué)家和工程師。她開(kāi)創(chuàng)了定向進(jìn)化方法，用于制作有用的生物系統(tǒng)，包括：酶、代謝途徑、遺傳調(diào)節(jié)回路和有機(jī)體。1979年，她在普林斯頓大學(xué)獲得了機(jī)械和航空航天工程學(xué)士學(xué)位，并獲得了加州大學(xué)伯克利分?；瘜W(xué)工程博士學(xué)位。在1986年來(lái)到加州理工學(xué)院之前，她取得了生物物理化學(xué)博士后學(xué)位。

　　阿諾德在加州理工學(xué)院的研究領(lǐng)域是綠色化學(xué)和替代能源，其中包括：開(kāi)發(fā)高活性酶（纖維素分解和生物合成酶）和微生物，將可再生生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為燃料和化學(xué)物質(zhì)。2016年，她成為獲得“千禧技術(shù)獎(jiǎng)”的首位女性。

深度解讀：馴服進(jìn)化的力量

在我們生活的地球上，有一支名為“進(jìn)化”的強(qiáng)大力量。自37億年前地球上出現(xiàn)首批生命以來(lái)，幾乎每寸地表中都填滿(mǎn)了不斷對(duì)環(huán)境做出適應(yīng)的生命體：比如生長(zhǎng)在貧瘠山脊上的地衣，在熱泉中頑強(qiáng)生存的藻類(lèi)，干燥沙漠中渾身披甲的爬行動(dòng)物，以及在黑暗的深海中閃閃發(fā)光的水母。

我們?cè)谏镎n上都學(xué)過(guò)這些生物，但現(xiàn)在讓我們轉(zhuǎn)變一下視角，從化學(xué)家的角度看待它們。地球上的生物之所以能存活下去，是因?yàn)檫M(jìn)化幫它們解決了無(wú)數(shù)復(fù)雜的化學(xué)問(wèn)題。所有生物都能從周邊環(huán)境中提取可用的物質(zhì)和能量，用它們合成自己所需的獨(dú)特化學(xué)成分。魚(yú)的血液中含有防凍蛋白質(zhì)，因此它們?cè)跇O地冰洋中也能暢游無(wú)阻；貝類(lèi)能分泌一種水下分子膠，因此可以牢牢粘附在巖石上。

這些化學(xué)反應(yīng)的絕妙之處在于，它們已經(jīng)被編寫(xiě)進(jìn)了我們的基因中，能夠代代相傳、不斷演變。基因如果發(fā)生了一點(diǎn)兒意外變化，就會(huì)改變這種化學(xué)反應(yīng)。有時(shí)這會(huì)削弱生物體的生存能力，有時(shí)則會(huì)讓該生物變得更加強(qiáng)大。隨著新的化學(xué)反應(yīng)逐漸出現(xiàn)，地球上的生命也變得愈加復(fù)雜。

酶定向進(jìn)化的基本原理。經(jīng)過(guò)幾個(gè)周期的定向進(jìn)化之后，一種酶可能會(huì)有幾千倍的效果。1、隨機(jī)突變是隨機(jī)引入基因的，這種酶最終會(huì)被改變；2、這些基因被插入細(xì)菌之中，細(xì)菌將它們作為模板，隨機(jī)性制造突變酶；3、這種改變的酶物質(zhì)已被測(cè)試，它們?cè)诖呋杌瘜W(xué)反應(yīng)方面十分有效。

      受益于這些進(jìn)化過(guò)程，有三個(gè)人竟然復(fù)雜到自己掌握了控制進(jìn)化過(guò)程的能力。2018年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)?lì)C給了弗朗西絲·阿諾德、喬治·史密斯和格雷戈里·溫特爵士三人，因?yàn)樗麄兪够瘜W(xué)界發(fā)生了革命性變化，并通過(guò)定向進(jìn)化技術(shù)促進(jìn)了新藥的研發(fā)。首先來(lái)介紹一下酶工程領(lǐng)域的明星：弗朗西絲·阿諾德。

酶——生命最強(qiáng)大的化學(xué)工具

早在1979年、弗朗西絲·阿諾德還是一名剛畢業(yè)的機(jī)械與航空航天工程師時(shí)，她就已經(jīng)有了一套明確的規(guī)劃，希望通過(guò)新技術(shù)的研發(fā)造福人類(lèi)。美國(guó)當(dāng)時(shí)決定，到2000年前，20%的能源都要由可再生能源提供。于是阿諾德也參與了太陽(yáng)能的研究。但到了1981年總統(tǒng)大選之后，該行業(yè)的前景預(yù)期發(fā)生了巨變，因此阿諾德將研究重點(diǎn)轉(zhuǎn)向了新興的DNA技術(shù)。她對(duì)此表示：“要想以全新的方式制造我們?nèi)粘Ｋ璧牟牧吓c化學(xué)物質(zhì)，就需要重新改寫(xiě)生命編碼?！?/span>

她并未打算采用傳統(tǒng)化學(xué)方法生產(chǎn)藥物、塑料和其它化學(xué)物質(zhì)，因?yàn)檫@些方法往往要用到強(qiáng)效溶劑、重金屬和腐蝕性酸。相反，她決定利用生命的化學(xué)工具——酶。酶能夠催化生物體內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)。假如阿諾德能掌握制造新酶的方法，就能根本性地改變化學(xué)界。

人類(lèi)思維的局限性

弗朗西絲·阿諾德一開(kāi)始像其他很多80年代末的科學(xué)家一樣，試圖通過(guò)重新搭建酶的結(jié)構(gòu)來(lái)賦予它們新的性質(zhì)。但酶的分子結(jié)構(gòu)極為復(fù)雜，由20種不同的氨基酸分子構(gòu)成，且聯(lián)結(jié)方式可能多達(dá)無(wú)限種。單個(gè)酶中可能包含數(shù)千個(gè)氨基酸分子，它們相互聯(lián)結(jié)成一條長(zhǎng)鏈，再折疊成空間三維結(jié)構(gòu)。催化特定化學(xué)反應(yīng)所需的環(huán)境就是在這些結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的。

即使利用目前的化學(xué)知識(shí)和計(jì)算機(jī)，也很難通過(guò)邏輯破解和重建這些極為復(fù)雜的分子結(jié)構(gòu)。因此在90年代初，弗朗西絲·阿諾德面對(duì)大自然的強(qiáng)大力量，選擇了放棄。用她的話(huà)來(lái)說(shuō)，這種方法“顯得有些不自量力”。她決定在大自然優(yōu)化化學(xué)反應(yīng)的方法——進(jìn)化中尋求靈感。

阿諾德開(kāi)始研究進(jìn)化

她花了幾年時(shí)間，試圖改變一種名叫“枯草桿菌蛋白酶”的酶，讓它能夠在有機(jī)溶劑“亞甲基甲硫胺（DMF）”、而非水基溶劑中催化化學(xué)反應(yīng)。她先讓這種酶的遺傳編碼發(fā)生隨機(jī)變異，再把這些變異基因引入到細(xì)菌中，這樣就培育出了數(shù)千種枯草桿菌蛋白酶的變種。

     接下來(lái)的挑戰(zhàn)是，從這么多變種中找出在有機(jī)溶劑中催化效果最好的一種。在進(jìn)化中，我們會(huì)說(shuō)適者生存；而在定向進(jìn)化中，我們把這一階段叫做“選擇”。

      弗朗西絲·阿諾德利用了枯草桿菌蛋白酶能夠分解酪蛋白的性質(zhì)。她先是選出了在含有35%亞甲基甲硫胺的溶液中分解酪蛋白效果最好的枯草桿菌蛋白酶變種，然后再讓這種蛋白酶基因發(fā)生一輪隨機(jī)變異，從而培育出了在亞甲基甲硫胺溶液中效果更好的新變種。

      在第三代枯草桿菌蛋白酶中，她找到了一種效果勝過(guò)原始蛋白酶256倍的變種。該變種中含有十多種不同的基因變異，而這些變異的效果都是無(wú)法提前預(yù)料的。

      弗朗西絲·阿諾德通過(guò)這項(xiàng)研究展示了利用概率和定向進(jìn)化培育新酶的效果。這是人類(lèi)朝掌握進(jìn)化邁出的第一步、也是最具決定性的一步。

       下一步研究由2013年逝世的荷蘭研究者和企業(yè)家威勒姆·斯坦莫（Willem P。C。Stemmer）做出。他為酶的定向進(jìn)化引入了一個(gè)新維度：在試管中展開(kāi)基因配對(duì)。

配對(duì)——為了更穩(wěn)定的進(jìn)化

      自然進(jìn)化的前提之一是，來(lái)自不同生物體的基因要通過(guò)交配或傳粉相互混合。這樣一來(lái)，有益于生物的性質(zhì)就可以相互結(jié)合，使生物更加強(qiáng)大。與此同時(shí)，對(duì)生物無(wú)益的基因變異則會(huì)在代代相傳的過(guò)程中逐漸消失。

      威勒姆·斯坦莫利用了DNA改組技術(shù)，相當(dāng)于在試管中進(jìn)行基因配對(duì)。1994年，他證明了可以將同一基因的不同版本切成若干小片段，然后在DNA技術(shù)工具的幫助下，將這些小片段整合成一段完整的基因。

      經(jīng)過(guò)幾輪DNA改組之后，威勒姆·斯坦莫已經(jīng)使酶發(fā)生了巨大變化，大大增強(qiáng)了酶的效果。這說(shuō)明基因重組技術(shù)可以進(jìn)一步提高酶進(jìn)化的效率。

新型酶可生產(chǎn)可持續(xù)的生物燃料

       DNA工具自90年代以來(lái)一直在不斷改良，定向進(jìn)化方法也比從前多了幾倍。弗朗西絲·阿諾德一直走在這些發(fā)展的前列。她所在實(shí)驗(yàn)室中制造的酶甚至能夠催化自然界中不存在的化學(xué)反應(yīng)，從而制造出全新的材料。經(jīng)她“量身定做”的酶已經(jīng)成為了多種物質(zhì)的重要生產(chǎn)工具，如藥物生產(chǎn)等。利用這些酶，化學(xué)反應(yīng)速度得以大大提高，副產(chǎn)物也明顯減少，在有些情況下，還能杜絕傳統(tǒng)化學(xué)反應(yīng)中重金屬的使用，因此顯著減小了對(duì)環(huán)境的影響。

事情總會(huì)不斷循環(huán)，弗朗西絲·阿諾德如今又開(kāi)始了對(duì)可再生能源生產(chǎn)的研究。她的研究團(tuán)隊(duì)研發(fā)了幾種酶，能夠把簡(jiǎn)單的糖類(lèi)轉(zhuǎn)化成異丁醇。這種物質(zhì)富含能量，可用于生產(chǎn)生物燃料和環(huán)保塑料。他們的長(zhǎng)期目標(biāo)之一是，通過(guò)生產(chǎn)更環(huán)保的燃料，打造更有利于環(huán)境的交通運(yùn)輸行業(yè)。借阿諾德研發(fā)的酶制造的其它燃料還可用在小汽車(chē)和航天飛機(jī)上。由此看來(lái)，她研發(fā)的酶對(duì)更加綠色環(huán)保的世界做出了卓越貢獻(xiàn)。

馴服進(jìn)化的力量，讓進(jìn)化的力量為人類(lèi)所用。

編譯來(lái)源：

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

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

3. 李斌于國(guó)萍．食品酶工程．北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)出版社，2010：342-343