定向进化凭什么拿下2018年诺贝尔化学奖？

10月3日，瑞典皇家科学院决议将2018年诺贝尔化学奖的一半授予弗朗西斯·阿诺德（Frances H. Arnold），另一半同时授予乔治·史姑娘（George P. Smith）和格雷格·温特（Gregory P. Winter）爵士，以奖励他们在各自范畴所作出的精采进献。

△获诺贝尔化学奖的三位科学家 图片来历：诺贝尔官网

此中，弗朗西斯·阿诺德获奖的来由是他初次进行了酶的定标的目的进化。这些经由过程催化化学反映体例定标的目的进化发生的卵白质有着普遍的应用范畴，包罗生物燃料、药品等等。另一位获奖者乔治·史姑娘发现了一种被称为"噬菌体展示"（phage display）的手艺：这让能传染细菌的病毒可以用来进化新的卵白质。而格雷戈里·温特爵士则操纵噬菌体展示手艺出产了新的药物。现在，噬菌体手艺可发生抗体，用以中和毒素，匹敌自身免疫性疾病以及治疗转移性癌症。

接下来，就让我们来看看这三位诺贝尔化学奖得本家儿是若何当作功地操纵基因转变和天然选择，研究出可以解决人类化学范畴问题的卵白质的。

酶的定标的目的进化

弗朗西斯·阿诺德是诺贝尔化学奖史上第5位获奖的女性。从20宿世纪70年月起头，她就测验考试重建酶布局，以付与其全新的性质。

酶（enzyme）是由活细胞发生的且对底物具有高度选择性和高度催化效能的卵白质或RNA。在酶的感化下，生物体内的化学反映在极为暖和的前提下也能高效地进行。酶可以由数千种氨基酸构成，它们以长链毗连在一路，长链折叠组成特别的三维布局，布局内部发生催化反映所需的合适情况。跟着研究的逐渐进行，阿诺德意识到，即使运用现代计较能力也难以彻底获悉酶的特征，但她在天然界找到了新的灵感——进化。

她的团队从一种存在于天然界的枯草杆菌卵白酶起头研究，对其基因进行了分手编码；然后他们利用分歧的手艺令基因变异，并将新的变异片段从头插入细菌中。这种细菌会发生数千种分歧的枯草杆菌卵白变体，研究人员按照需要对其进行筛选，好比快速阐扬感化或是在高温以及存在某些特心猿意马化学物质的前提下才阐扬感化。阿诺德在第三代枯草杆菌卵白酶中，发现一种变体消融在DMF（有机溶剂二甲基甲酰胺）时的催化结果比原始酶超出跨越256倍。

操纵这种方式，研究人员发生了可以或许催化原本天然界中并不存在的反映的新型酶。定标的目的进化是尝试最主要的一环，现在阿诺德心猿意马制的酶已在药品制造、可再生能源、环保行业年夜展身手，给缔造一个绿色宿世界的人类胡想增添了强劲的活力。

△感化于硅片上的酶，图片来历：PNNL on Visual Hunt

噬菌体展示手艺让卵白质定标的目的进化

噬菌体素质上很简单，它本家儿要由卵白质和核酸（DNA和RNA）构成，是传染细菌、真菌、放线菌或螺旋体等微生物的病毒总称。噬菌体滋生时，它们将遗传物质注入宿本家儿菌并劫持新陈代谢功能，然后宿本家儿菌发生了噬菌体的遗传物质和胶囊卵白，新的噬菌体便得以形当作，即完当作了噬菌体的繁衍。

△噬菌体布局示意，图片来历：Adenosine@维基百科

乔治·史姑娘的“噬菌体展示”手艺的根基道理就是将编码多肽的外源DNA片段与噬菌体概况卵白的编码基因融合后，以融合卵白的形式呈此刻噬菌体的概况。被展示的多肽或卵白可连结相对的空间布局和生物活性并表露于噬菌体概况。导入各类各样外源基因的一群噬菌体，就组成了一个呈现各类各样外源肽的展示库。当用一个卵白质去筛查一个噬菌体展示库时，具体的操作过程其实是用这个卵白质与该库中的全数噬菌体同时进行反映，以测试卵白质与噬菌体的连系能力。所用的卵白质会选择性地同（表露于特心猿意马噬菌体概况的）某个外源肽相连系，从而分手出展示库里的某个特心猿意马的噬菌体。

乔治·史姑娘奠基了噬菌体展示手艺根本。该方式简单了然，它的优势在于能在卵白质与其遗传信息之间供给直接的物理联系，人们可以有用的对所需功能的克隆进行频频筛选，并随之对其进行扩增，最终实现卵白质的定标的目的进化。

噬菌体展示手艺让抗体定标的目的进化

研究人员一向但愿研究出可以或许阻断体内各类疾病过程并起到药物感化的抗体，抗体药物的成长也历经了多次进化：从最初的鼠源抗体，二代人鼠嵌合抗体；三代人源化抗体，再到四代的全人源抗体。人源抗体是基于噬菌体抗体库的手艺手段而获得的抗体。

噬菌体抗体库手艺本家儿要方式是将B淋巴细胞轻链和重链基因库扩增，再融合到噬菌体衣壳卵白中，经噬菌体概况展示系统表达后形当作的噬菌体抗体库。这类抗体库含有品貌较高的抗原特异性抗体，可以或许发生更多更好的抗体，并且这些抗体颠末了免疫系统的亲和力当作熟过程，是以可从这种免疫抗体库中筛选出对靶标亲和性高的抗体。

噬菌体抗体库的长处是直接将卵白质与其基因联系在一路，再操纵配体的特异性亲和力，最终将分歧的卵白或多肽遴选出来。这相对于传统的筛选手艺，在时候周期、抗体类型、筛选规模、经济当作本等方面有着凸起的优势。经由过程噬菌体展示手艺获得的抗体，不仅去除了鼠源抗体的免疫源性，并且免除了人源化操作，其筛选过程简单、高效，能在较短时候内获取亲和力较强的全人源抗体。

格雷格·温特成立了一个噬菌体库，其概况上稀有十亿种抗体。从这个库中，他找到了附着在分歧靶卵白上的抗体。然后，他在定标的目的进化抗体的帮忙下进级了新的库，在这个库中的抗体与靶标的附出力更强。

格雷格·温特和同事们还当作立了一家基于抗体噬菌体展示手艺的公司。在20宿世纪90年月，公司开辟出了一种完全基于人体抗体的药物：阿达木单抗。这是第一个从噬菌体展示手艺获得的全人体单克隆抗体，它能针对性地连系人肿瘤坏死因子（TNF），并阻断TNF和受体的连系。2002年，该药物被核准用于治疗类风湿性关节炎，此刻也用于治疗分歧类型的牛皮癣和炎症性肠病。阿达木单抗的当作功刺激了制药行业的成长。

噬菌体展示手艺还可应用于癌抗体范畴。癌抗体是来历于身体的杀伤性细胞，是以它们可以进犯肿瘤细胞，致使肿瘤发展减缓，在某些环境下，即使患有转移性癌症的患者也能治愈，这是癌症治疗的汗青性冲破。已经核准的另一种抗体药物可以中和炭疽细菌毒素，还一种则可以减缓狼疮症状。今朝正在进行更多的抗体临床试验，例如抗击阿尔茨海默病的新药。

△培育皿中的炭疽杆菌群落，注重箭头处区域因注入过噬菌体而令细菌无法保存来历：CDC公共藏书楼

化学新时代的到来

三位诺奖得本家儿操纵生物化学方式实现了天然生物分子的定标的目的进化，他们研究的冲破使得可用快于天然进化千倍的速度改良药物、燃料和其他产物当作为可能。这是化学范畴真正的定标的目的进化，开启了一个全新的时代。

△于变化中改变宿世界，图片来历：pixabay

参考文献：

（1）https://www.nobelprize.org

（2）Ward E S, Güssow D, Griffiths A D, et al. Binding activities of a repertoire of single immunoglobulin variable domains secreted from Escherichia coli.[J]. Nature, 1989, 341(6242):544-546.

（3）https://baike.baidu.com/item/%E5%99%AC%E8%8F%8C%E4%BD%93%E5%B1%95%E7%A4%BA%E6%8A%80%E6%9C%AF/190351?fr=aladdin

（4）唐陶,陈冰冰,龙航宇,等.噬菌体对细菌传染的治疗感化及应用研究[J].中国兽医杂志,2018(3).

（5）蒋红欣.噬菌体抗体库手艺在抗体研发中的运用[J].科学手艺立异,2017(33):158-159.

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