作者:晋楠 宗华 来源:科学网 www.sciencenet.cn 发布时间:2018/10/3 20:41:07
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掌控进化:生命这样被改写

 

摘要:

进化的力量通过生命的多样性得以展现。2018年诺贝尔化学奖被授予弗朗西丝·阿诺德、乔治·史密斯和格雷戈里·温特,理由是3人在掌控进化的方式及利用其为人类带来最大福祉方面作出了重要贡献。通过定向进化开发出来的酶如今被用于生产生物燃料、药物和其他事物。同时,利用一种被称为噬菌体展示技术的方法进化出来的抗体,能够对抗自体免疫性疾病并在某些情形下治疗转移性肿瘤。

我们生活在一个有一种强大力量的星球上,这种力量就是进化。自从生命的第一粒种子在距今约37亿年前出现后,地球上几乎每一个裂缝都充满了适应环境的生物,比如能生活在光秃山坡上的地衣、可在温泉中生长的古生菌、可适应干旱沙漠的有鳞爬行动物以及在黑暗的深海中发光的水母。

在学校里,人们在生物学课本上了解到这些生物。现在,让我们带上化学家的眼镜转变一下视角。地球上的生命之所以存在,是因为进化已经解决了许多复杂的化学问题。所有生物都能从它们的环境生态位中提取物质和能量,并利用其构建它们所包含的独特化学创造。这样的案例有无数个。例如,鱼类能在极地海洋中游泳,是因为其血液中的抗冻蛋白;而贻贝能附着在岩石上,是因为它们已经发育出一种水下分子胶。

生命化学特性的卓越之处在于它被“编程”进人类的基因,使其得以继承和发展。基因中的小型随机变化改变了这一化学特性。有时这会带来更加脆弱的生物体,有时则是更强健的生物体。新的化学特性逐渐发展,同时地球上的生命变得日益复杂。

关于这一过程的研究得到迅速发展,其间出现了3位成功掌控进化本身的科学家。2018年诺贝尔化学奖被授予弗朗西丝·阿诺德、乔治·史密斯和格雷戈里·温特,因为他们通过定向进化彻底改变了化学和新药研发。让我们从酶工程领域的明星——弗朗西丝·阿诺德开始。

2018年诺贝尔化学奖得主利用了进化并在他们的实验室中进一步推进了进化

酶——生命最锐利的化学工具

1979年,作为一名刚毕业的机械和航天工程师,弗朗西丝•阿诺德便有一个清晰的愿景:通过发展新技术造福人类。美国曾决定到2000年使20%的电力来自可再生能源,她研究的正是太阳能。然而,在1981年总统大选之后,该行业的前景发生了彻底的变化,所以她转而关注新的DNA技术。正如她自己所说的:“很明显,制作人们日常生活所需要的材料和化学物质的一种全新的方法,将通过重新改写生命代码的能力得到实现。”

不过,她的想法是利用生命的化学工具——酶,而不是用传统化学方法来生产药物、塑料和其他化学品。传统方法通常需要强溶剂、重金属和腐蚀性酸。它们能催化出现在地球有机体中的化学反应。如果学会设计新的酶,她将能从根本上改变化学。

人类想法的限制

最初,和上世纪80年代末的很多研究人员一样,弗朗西丝•阿诺德试图利用一种理性的方法重建酶以赋予其新的属性,但酶是极其复杂的分子。它们由20种不同的基本模块——氨基酸建成。这些模块可以被无限地结合起来。单个酶能包含上千个氨基酸。它们在长链上被连接起来,而长链能折叠形成特定的三维结构。催化特定化学反应所需的环境在这些结构内部得以创建。

即便有了现代知识和计算力,利用逻辑试图阐明这种精细的结构应如何被重新建模从而赋予酶新的属性是一件非常困难的事情。上世纪90年代,感慨于自然界的优越性,弗朗西丝•阿诺德决定放弃这种“在某种程度上有点傲慢的方法”,转而从自然界优化化学性质的自身方法——进化上寻找灵感。

阿诺德开始研究进化

几年来,她一直试图改变一种叫作枯草杆菌蛋白酶(subtilisin)的酶,使其在有机溶剂二甲基甲酰胺(DMF)中起作用,而非在基于水的溶液中催化血液反应。现在,她在这种酶的遗传密码中创造了随机变化——突变,然后将这些突变基因引入细菌,产生了数千种不同的枯草杆菌蛋白酶变体。

接下来的挑战是找出所有这些变体中哪一种在有机溶剂中最为有效。在进化论中,我们说“适者生存”;在定向进化中,这个阶段被称为选择阶段。弗朗西丝·阿诺德利用枯草杆菌蛋白酶分解牛奶蛋白和酪蛋白的事实,选择了一种枯草杆菌蛋白酶变体,可以在含有35% DMF的溶液中最有效地分解酪蛋白。随后,她在这种枯草杆菌蛋白酶中引入了新一轮的随机突变,产生了一种在DMF中更有效的变体。

在第三代枯草杆菌蛋白酶中,她发现了一种新的变体。其在DMF中的效果比原来的酶好256倍。这种酶的变体结合了10种不同的突变,其存在的益处无人可以预知。

有了这些,弗朗西丝•阿诺德展示了允许机会和定向选择而非完全人类理性掌控新酶开发的威力。这是朝人们目前正在见证的革命迈出的第一步,也是最具决定性的一步。下一个重要步骤由在2013年去世的荷兰研究人员、企业家Willem P. C. Stemmer开展。他为酶的定向进化引入了另一个维度:在试管中交配。

酶定向进化的基本原理。经过若干圈的定向进化后,一种酶的效率可能比之前高上千倍。

交配——为了更稳定的进化

自然进化的一个先决条件是来自不同个体的基因通过交配或授粉相混合。然后,有益的特性可以被结合,从而形成更健壮的生物体。同时,较少的功能性基因突变会在代际之间消失。

Willem Stemmer使用的试管相当于交配:DNA改组。1994年,他证明了可以将一个基因的不同版本分割成小块,然后在DNA技术工具的帮助下,将其拼合成一个完整的基因,相当于原始版本的拼接体。

通过若干DNA重组周期,Willem Stemmer改变了一种酶,使其比原来的酶更有效。这表明,将基因配对(研究人员称之为重组)可以让酶更有效地进化。

新酶产生源源不断的生物燃料

DNA技术工具在上世纪90年代得以优化,定向进化中使用的方法也在增多。弗朗西丝•阿诺德一直在这些进展中保持着领先地位。其实验室现在产生的酶能催化甚至在自然界中不存在的化学物质,并且产生全新的材料。弗朗西丝•阿诺德定制的酶还成为各种物质比如药物生产的重要工具。化学反应得以加速,并且产生了更少的副产品。在某些情形下,排除传统化学所需的重金属成为可能,环境影响由此被大大减小。

事情也有了一个完整的循环:弗朗西丝•阿诺德正在再次研究可再生能源的生产。她的研究团队已开发出将单糖转变成异丁醇的酶。异丁醇是一种富含能量的物质,可被用于生产生物燃料和更加环保的塑料。一个长远目标是生产针对更加环境友好的运输行业的燃料。弗朗西丝•阿诺德的蛋白质产生的其他替代燃料可被用于汽车和飞机。通过这种方法,她的酶正在为更加绿色的世界作出贡献。

现在是2018年诺贝尔化学奖的另一部分,即定向进化促成了能中和毒素的药物,从而对抗自体免疫疾病的恶化以及在某些情形下,甚至治疗转移性肿瘤。在这个过程中,一种影响细菌的微小病毒和一种被称为噬菌体展示的技术发挥了关键作用。

史密斯利用噬菌体

正如经常发生的那样,科学走上了一条不可预测的道路。20世纪80年代上半段,乔治·史密斯开始使用噬菌体(一种能感染细菌的病毒),主要是希望它能被用于克隆基因。DNA技术当时仍处于早期,人类基因组就像一个未被发现的大陆。研究人员知道,它包含产生人体蛋白质所需的所有基因,但要识别特定蛋白质的特定基因,比大海捞针困难得多。

然而,对于发现它的科学家来说却有着巨大的好处。利用当时的新基因工具,这种基因可以被植入细菌中,如果运气好的话,可以生成大量供研究人员使用的该类蛋白质。这一全过程被称为基因克隆。乔治·史密斯的想法是,寻找基因的研究人员可以巧妙地使用噬菌体。

噬菌体——蛋白质与其未知基因之间的联系

噬菌体本质上很简单。它们由一小段包裹在保护性蛋白质中的遗传物质组成。当它们繁殖时,会将遗传物质注入细菌并“劫持”其新陈代谢。然后,细菌会产生该噬菌体遗传物质的新复本以及形成“胶囊”的蛋白质,最终形成新的噬菌体。

乔治·史密斯的想法是,研究人员能够利用噬菌体的简单构造,找到一种已知蛋白质的未知基因。此时,已经有了大的分子库,包含了大量各种未知基因的片段。他的想法是这些未知基因片段可以和噬菌体胶囊中的一种蛋白质的基因结合在一起。当产生新的噬菌体时,来自未知基因的蛋白质最终会作为胶囊蛋白的一部分出现在噬菌体表面。

噬菌体展示——乔治·史密斯开发了这种方法,用于寻找针对已知蛋白质的未知基因

抗体能找出正确的蛋白质

这会带来表面上携带诸多不同蛋白质的噬菌体的混合物。乔治·史密斯假定,在下一个步骤中,研究人员将能利用抗体找出携带各种已知蛋白质的噬菌体。抗体是功能类似于定向导弹的蛋白质。它们能在上万个蛋白质中以极端的精确度辨别并结合其中一个蛋白质。如果研究人员利用一种他们知道同已知蛋白质结合的抗体,在噬菌体“汤”中捕捉到一些东西,作为间接捕获物,他们将获得针对该蛋白质的迄今未知的基因。

这是一个不错的想法。1985年,乔治·史密斯证实上述原理能行得通。他产生了一种表面携带部分蛋白质—— 一种肽的噬菌体。利用抗体,乔治·史密斯当时能从很多噬菌体形成的“汤”中捕获其他构建的噬菌体。

通过该试验,乔治·史密斯为后来被称为噬菌体展示的技术奠定了基础。该方法的优点在于简单。它的优势是噬菌体作为蛋白质及其基因之间的连接发挥作用。不过,这种方法并未在基因克隆方面获得重大突破。相反,在上世纪90年代左右,若干研究团队开始利用噬菌体展示开发新的生物分子。采用该技术的其中一人是格雷戈里·温特。多亏了他的研究,噬菌体展示如今正为人类带来巨大的益处。为理解原因何在,我们需要更加详细地了解抗体。

抗体可阻断疾病进程

人类淋巴系统的细胞可以产生成千上万种不同的抗体。利用一种成熟的系统,所有这些细胞均经过了验证,使得没有抗体附着在身体任何一种类型的分子上。然而,这种巨大的变化却使得总有一种抗体附着在感染人的病毒或细菌上。当抗体附着在其上时,它会向具有攻击性的免疫细胞发出信号,摧毁入侵者。

由于抗体是高度选择性的,并且可以附着在成千上万分子中的某个分子上,研究人员长期以来一直希望设计出向药物一样,能阻断体内各种疾病进程的抗体。最初,为了获得这些治疗性抗体,小鼠体内被注射了不同的药物靶点,例如癌细胞蛋白。然而,在20世纪80年代,人们越来越清楚地认识到这种方法有其局限性:一些物质对小鼠是有毒的,而另一些则不会产生抗体。

此外,研究人员还发现,获得的抗体会被患者的免疫系统识别为外来物质,并对其进行攻击。这会导致小鼠抗体被破坏,从而对患者产生副作用。

正是这个障碍促使格雷格·温特开始研究乔治·史密斯开发的噬菌体展示技术的潜力。他希望避免使用老鼠,且能将药物建立在人类抗体的基础上,因为人们的免疫系统对抗体有耐受性。

格雷戈里·温特将抗体放在噬菌体表面

抗体是Y形分子,每个分支的远端同外来物质结合。格雷戈里·温特将针对这部分抗体的基因信息加入到一种噬菌体胶囊蛋白质的基因中。1990年,他证实这促成了抗体的结合位点在噬菌体表面结束。他利用的抗体被设计成同一种被称为phOx的小分子结合。当格雷戈里·温特利用phOx作为分子“鱼钩”时,他成功地将表面上拥有这种抗体的噬菌体从400万个其他噬菌体形成的“汤”中“捞出来”。

此后,格雷戈里·温特证实他能在抗体的定向进化中利用噬菌体展示技术。他构建了表面拥有数十亿种抗体的噬菌体库。从这个库中,他找到了和不同目标蛋白质结合的抗体。随后,他随机改变了抗体的第一代并创建了新的库。在这个库中,他发现了同目标蛋白质有着更强烈关联的抗体。例如,1994年,他利用该方法开发出同拥有高度特异性的癌症细胞相结合的抗体。

世界上第一种基于人类抗体的药物

格雷格·温特和同事基于噬菌体抗体展示成立了一家公司。20世纪90年代,该公司开发了一种完全基于人类抗体的药物:阿达木单抗(adalimumab)。这种抗体中和了一种蛋白质TNF-alpha,它会在许多自身免疫性疾病中引发炎症。2002年,该药被批准用于治疗类风湿性关节炎,现在还被用于治疗不同类型的牛皮癣和炎症性肠病。

阿达木单抗的成功刺激了制药行业的巨大发展。噬菌体展示已被用于产生癌症抗体等方面。其中一种能释放出人体杀伤细胞,从而攻击肿瘤细胞。肿瘤生长会减慢,在某些情况下,转移性癌症患者甚至也能治愈,这是癌症治疗领域的历史性突破。

另一种已获批准的抗体药物能中和导致炭疽热的细菌毒素,而另一种药物能减缓红斑狼疮这种自身免疫性疾病;更多的抗体正在进行临床试验,例如对抗阿尔茨海默氏症。

用噬菌体展示引导抗体定向进化的原理。这种方法被用于制作新药

化学领域新时代的开始

2018年诺贝尔化学奖得主发明的方法目前正在被多个国际团队研究,以促成更加环保的化学工业、产生新材料、制造可持续的生物燃料、减轻疾病的痛苦和拯救生命。酶的定向进化和抗体噬菌体展示使弗朗西丝·阿诺德、乔治·史密斯和格雷戈里·温特为人类带来了最大福祉并且为化学行业的革命奠定了基础。(晋楠 宗华)

相关专题:2018年诺贝尔奖
 
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2018/10/12 0:46:00 sheepgogogo
教育是心理进化,生理进化只能让人超过懒猴成为灵长类排名31的物种
2018/10/4 10:03:50 wanglinbo
深度好文
目前已有2条评论
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