科學也可以如此靠近

掌控進化:生命這樣被改寫


中國科學報摘要:進化的力量通過生命的多樣性得以展現。年諾貝爾化學獎被授予弗朗西絲·阿諾德、喬治·史密斯和格雷戈里·溫特,理由是人在掌控進化的方式及利用其為人類帶來最大福祉方面作出了重要貢獻。通過定向進化開發出來的酶如今被用於生產生物燃料、藥物和其他事物。同時,...

- 2018年10月03日22時24分
- 【中國科學報】

中國科學報

摘要:

進化的力量通過生命的多樣性得以展現。

2018年諾貝爾化學獎被授予弗朗西絲·阿諾德、喬治·史密斯和格雷戈里·溫特,理由是3人在掌控進化的方式及利用其為人類帶來最大福祉方面作出了重要貢獻。

通過定向進化開發出來的酶如今被用於生產生物燃料、藥物和其他事物。

同時,利用一種被稱為噬菌體展示技術的方法進化出來的抗體,能夠對抗自體免疫性疾病並在某些情形下治療轉移性腫瘤。

我們生活在一個有一種強大力量的星球上,這種力量就是進化。

自從生命的第一粒種子在距今約37億年前出現後,地球上幾乎每一個裂縫都充滿了適應環境的生物,比如能生活在光禿山坡上的地衣、可在溫泉中生長的古生菌、可適應乾旱沙漠的有鱗爬行動物以及在黑暗的深海中發光的水母。

在學校里,人們在生物學課本上了解到這些生物。

現在,讓我們帶上化學家的眼鏡轉變一下視角。

地球上的生命之所以存在,是因為進化已經解決了許多複雜的化學問題。

所有生物都能從它們的環境生態位中提取物質和能量,並利用其構建它們所包含的獨特化學創造。

這樣的案例有無數個。

例如,魚類能在極地海洋中游泳,是因為其血液中的抗凍蛋白;而貽貝能附著在岩石上,是因為它們已經發育出一種水下分子膠。

生命化學特性的卓越之處在於它被「編程」進人類的基因,使其得以繼承和發展。

基因中的小型隨機變化改變了這一化學特性。

有時這會帶來更加脆弱的生物體,有時則是更強健的生物體。新的化學特性逐漸發展,同時地球上的生命變得日益複雜。

關於這一過程的研究得到迅速發展,其間出現了3位成功掌控進化本身的科學家。

2018年諾貝爾化學獎被授予弗朗西絲·阿諾德、喬治·史密斯和格雷戈里·溫特,因為他們通過定向進化徹底改變了化學和新藥研發。

讓我們從酶工程領域的明星——弗朗西絲·阿諾德開始。

2018年諾貝爾化學獎得主利用了進化並在他們的實驗室中進一步推進了進化

酶——生命最銳利的化學工具

1979年,作為一名剛畢業的機械和航天工程師,弗朗西絲•阿諾德便有一個清晰的願景:通過發展新技術造福人類。

美國曾決定到2000年使20%的電力來自可再生能源,她研究的正是太陽能。

然而,在1981年總統大選之後,該行業的前景發生了徹底的變化,所以她轉而關注新的DNA技術。

正如她自己所說的:「很明顯,製作人們日常生活所需要的材料和化學物質的一種全新的方法,將通過重新改寫生命代碼的能力得到實現。」

不過,她的想法是利用生命的化學工具——酶,而不是用傳統化學方法來生產藥物、塑料和其他化學品。

傳統方法通常需要強溶劑、重金屬和腐蝕性酸。它們能催化出現在地球有機體中的化學反應。如果學會設計新的酶,她將能從根本上改變化學。

人類想法的限制

最初,和上世紀80年代末的很多研究人員一樣,弗朗西絲•阿諾德試圖利用一種理性的方法重建酶以賦予其新的屬性,但酶是極其複雜的分子。

它們由20種不同的基本模塊——胺基酸建成。這些模塊可以被無限地結合起來。單個酶能包含上千個胺基酸。

它們在長鏈上被連接起來,而長鏈能摺疊形成特定的三維結構。

催化特定化學反應所需的環境在這些結構內部得以創建。

即便有了現代知識和計算力,利用邏輯試圖闡明這種精細的結構應如何被重新建模從而賦予酶新的屬性是一件非常困難的事情。

上世紀90年代,感慨於自然界的優越性,弗朗西絲•阿諾德決定放棄這種「在某種程度上有點傲慢的方法」,轉而從自然界優化化學性質的自身方法——進化上尋找靈感。

阿諾德開始研究進化

幾年來,她一直試圖改變一種叫作枯草桿菌蛋白酶(subtilisin)的酶,使其在有機溶劑二甲基甲醯胺(DMF)中起作用,而非在基於水的溶液中催化血液反應。

現在,她在這種酶的遺傳密碼中創造了隨機變化——突變,然後將這些突變基因引入細菌,產生了數千種不同的枯草桿菌蛋白酶變體。

接下來的挑戰是找出所有這些變體中哪一種在有機溶劑中最為有效。

在進化論中,我們說「適者生存」;在定向進化中,這個階段被稱為選擇階段。

弗朗西絲·阿諾德利用枯草桿菌蛋白酶分解牛奶蛋白和酪蛋白的事實,選擇了一種枯草桿菌蛋白酶變體,可以在含有35% DMF的溶液中最有效地分解酪蛋白。

隨後,她在這種枯草桿菌蛋白酶中引入了新一輪的隨機突變,產生了一種在DMF中更有效的變體。

在第三代枯草桿菌蛋白酶中,她發現了一種新的變體。

其在DMF中的效果比原來的酶好256倍。這種酶的變體結合了10種不同的突變,其存在的益處無人可以預知。

有了這些,弗朗西絲•阿諾德展示了允許機會和定向選擇而非完全人類理性掌控新酶開發的威力。

這是朝人們目前正在見證的革命邁出的第一步,也是最具決定性的一步。

下一個重要步驟由在2013年去世的荷蘭研究人員、企業家Willem P. C. Stemmer開展。他為酶的定向進化引入了另一個維度:在試管中交配。

酶定向進化的基本原理。經過若干圈的定向進化後,一種酶的效率可能比之前高上千倍。

交配——為了更穩定的進化

自然進化的一個先決條件是來自不同個體的基因通過交配或授粉相混合。

然後,有益的特性可以被結合,從而形成更健壯的生物體。

同時,較少的功能性基因突變會在代際之間消失。

Willem Stemmer使用的試管相當於交配:DNA改組。

1994年,他證明了可以將一個基因的不同版本分割成小塊,然後在DNA技術工具的幫助下,將其拼合成一個完整的基因,相當於原始版本的拼接體。

通過若干DNA重組周期,Willem Stemmer改變了一種酶,使其比原來的酶更有效。

這表明,將基因配對(研究人員稱之為重組)可以讓酶更有效地進化。

新酶產生源源不斷的生物燃料

DNA技術工具在上世紀90年代得以優化,定向進化中使用的方法也在增多。

弗朗西絲•阿諾德一直在這些進展中保持著領先地位。其實驗室現在產生的酶能催化甚至在自然界中不存在的化學物質,並且產生全新的材料。

弗朗西絲•阿諾德定製的酶還成為各種物質比如藥物生產的重要工具。

化學反應得以加速,並且產生了更少的副產品。

在某些情形下,排除傳統化學所需的重金屬成為可能,環境影響由此被大大減小。

事情也有了一個完整的循環:弗朗西絲•阿諾德正在再次研究可再生能源的生產。

她的研究團隊已開發出將單糖轉變成異丁醇的酶。

異丁醇是一種富含能量的物質,可被用於生產生物燃料和更加環保的塑料。

一個長遠目標是生產針對更加環境友好的運輸行業的燃料。

弗朗西絲•阿諾德的蛋白質產生的其他替代燃料可被用於汽車和飛機。通過這種方法,她的酶正在為更加綠色的世界作出貢獻。

現在是2018年諾貝爾化學獎的另一部分,即定向進化促成了能中和毒素的藥物,從而對抗自體免疫疾病的惡化以及在某些情形下,甚至治療轉移性腫瘤。

在這個過程中,一種影響細菌的微小病毒和一種被稱為噬菌體展示的技術發揮了關鍵作用。

史密斯利用噬菌體

正如經常發生的那樣,科學走上了一條不可預測的道路。

20世紀80年代上半段,喬治·史密斯開始使用噬菌體(一種能感染細菌的病毒),主要是希望它能被用於克隆基因。

DNA技術當時仍處於早期,人類基因組就像一個未被發現的大陸。

研究人員知道,它包含產生人體蛋白質所需的所有基因,但要識別特定蛋白質的特定基因,比大海撈針困難得多。

然而,對於發現它的科學家來說卻有著巨大的好處。

利用當時的新基因工具,這種基因可以被植入細菌中,如果運氣好的話,可以生成大量供研究人員使用的該類蛋白質。

這一全過程被稱為基因克隆。喬治·史密斯的想法是,尋找基因的研究人員可以巧妙地使用噬菌體。

噬菌體——蛋白質與其未知基因之間的聯繫

噬菌體本質上很簡單。

它們由一小段包裹在保護性蛋白質中的遺傳物質組成。當它們繁殖時,會將遺傳物質注入細菌並「劫持」其新陳代謝。

然後,細菌會產生該噬菌體遺傳物質的新複本以及形成「膠囊」的蛋白質,最終形成新的噬菌體。

喬治·史密斯的想法是,研究人員能夠利用噬菌體的簡單構造,找到一種已知蛋白質的未知基因。

此時,已經有了大的分子庫,包含了大量各種未知基因的片段。

他的想法是這些未知基因片段可以和噬菌體膠囊中的一種蛋白質的基因結合在一起。

當產生新的噬菌體時,來自未知基因的蛋白質最終會作為膠囊蛋白的一部分出現在噬菌體表面。

噬菌體展示——喬治·史密斯開發了這種方法,用於尋找針對已知蛋白質的未知基因

抗體能找出正確的蛋白質

這會帶來表面上攜帶諸多不同蛋白質的噬菌體的混合物。

喬治·史密斯假定,在下一個步驟中,研究人員將能利用抗體找出攜帶各種已知蛋白質的噬菌體。

抗體是功能類似於定嚮導彈的蛋白質。

它們能在上萬個蛋白質中以極端的精確度辨別並結合其中一個蛋白質。

如果研究人員利用一種他們知道同已知蛋白質結合的抗體,在噬菌體「湯」中捕捉到一些東西,作為間接捕獲物,他們將獲得針對該蛋白質的迄今未知的基因。

這是一個不錯的想法。

1985年,喬治·史密斯證實上述原理能行得通。

他產生了一種表面攜帶部分蛋白質——一種肽的噬菌體。

利用抗體,喬治·史密斯當時能從很多噬菌體形成的「湯」中捕獲其他構建的噬菌體。

通過該試驗,喬治·史密斯為後來被稱為噬菌體展示的技術奠定了基礎。

該方法的優點在於簡單。

它的優勢是噬菌體作為蛋白質及其基因之間的連接發揮作用。

不過,這種方法並未在基因克隆方面獲得重大突破。

相反,在上世紀90年代左右,若干研究團隊開始利用噬菌體展示開發新的生物分子。

採用該技術的其中一人是格雷戈里·溫特。多虧了他的研究,噬菌體展示如今正為人類帶來巨大的益處。

為理解原因何在,我們需要更加詳細地了解抗體。

抗體可阻斷疾病進程

人類淋巴系統的細胞可以產生成千上萬種不同的抗體。

利用一種成熟的系統,所有這些細胞均經過了驗證,使得沒有抗體附著在身體任何一種類型的分子上。

然而,這種巨大的變化卻使得總有一種抗體附著在感染人的病毒或細菌上。

當抗體附著在其上時,它會向具有攻擊性的免疫細胞發出信號,摧毀入侵者。

由於抗體是高度選擇性的,並且可以附著在成千上萬分子中的某個分子上,研究人員長期以來一直希望設計出向藥物一樣,能阻斷體內各種疾病進程的抗體。

最初,為了獲得這些治療性抗體,小鼠體內被注射了不同的藥物靶點,例如癌細胞蛋白。

然而,在20世紀80年代,人們越來越清楚地認識到這種方法有其局限性:一些物質對小鼠是有毒的,而另一些則不會產生抗體。

此外,研究人員還發現,獲得的抗體會被患者的免疫系統識別為外來物質,並對其進行攻擊。這會導致小鼠抗體被破壞,從而對患者產生副作用。

正是這個障礙促使格雷格·溫特開始研究喬治·史密斯開發的噬菌體展示技術的潛力。

他希望避免使用老鼠,且能將藥物建立在人類抗體的基礎上,因為人們的免疫系統對抗體有耐受性。

格雷戈里·溫特將抗體放在噬菌體表面

抗體是Y形分子,每個分支的遠端同外來物質結合。

格雷戈里·溫特將針對這部分抗體的基因信息加入到一種噬菌體膠囊蛋白質的基因中。

1990年,他證實這促成了抗體的結合位點在噬菌體表面結束。

他利用的抗體被設計成同一種被稱為phOx的小分子結合。

當格雷戈里·溫特利用phOx作為分子「魚鉤」時,他成功地將表面上擁有這種抗體的噬菌體從400萬個其他噬菌體形成的「湯」中「撈出來」。

此後,格雷戈里·溫特證實他能在抗體的定向進化中利用噬菌體展示技術。他構建了表面擁有數十億種抗體的噬菌體庫。

從這個庫中,他找到了和不同目標蛋白質結合的抗體。

隨後,他隨機改變了抗體的第一代並創建了新的庫。

在這個庫中,他發現了同目標蛋白質有著更強烈關聯的抗體。例如,1994年,他利用該方法開發出同擁有高度特異性的癌症細胞相結合的抗體。

世界上第一種基於人類抗體的藥物

格雷格·溫特和同事基於噬菌體抗體展示成立了一家公司。

20世紀90年代,該公司開發了一種完全基於人類抗體的藥物:阿達木單抗(adalimumab)。

這種抗體中和了一種蛋白質TNF-alpha,它會在許多自身免疫性疾病中引發炎症。

2002年,該藥被批准用於治療類風濕性關節炎,現在還被用於治療不同類型的牛皮癬和炎症性腸病。

阿達木單抗的成功刺激了製藥行業的巨大發展。

噬菌體展示已被用於產生癌症抗體等方面。

其中一種能釋放出人體殺傷細胞,從而攻擊腫瘤細胞。

腫瘤生長會減慢,在某些情況下,轉移性癌症患者甚至也能治癒,這是癌症治療領域的歷史性突破。

另一種已獲批准的抗體藥物能中和導致炭疽熱的細菌毒素,而另一種藥物能減緩紅斑狼瘡這種自身免疫性疾病;更多的抗體正在進行臨床試驗,例如對抗阿爾茨海默氏症。

用噬菌體展示引導抗體定向進化的原理。這種方法被用於製作新藥

化學領域新時代的開始

2018年諾貝爾化學獎得主發明的方法目前正在被多個國際團隊研究,以促成更加環保的化學工業、產生新材料、製造可持續的生物燃料、減輕疾病的痛苦和拯救生命。

酶的定向進化和抗體噬菌體展示使弗朗西絲·阿諾德、喬治·史密斯和格雷戈里·溫特為人類帶來了最大福祉並且為化學行業的革命奠定了基礎。

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