走近譜貝爾獎(十八)試管里的定向進化

楊先碧

醬油、食醋、酒的生產都是在酶的作用下完成的。

進化是一種偉大的自然力量，科學家則希望在實驗室里模仿生命的進化方法，實現生物大分子（主要是蛋白質）的快速進化。這種掌控生物分子進化的方法，被稱為“定向進化”，也有科學家戲稱它為“試管里的定向進化”。美國科學家弗朗西絲·阿諾德、喬治·史密斯和英國科學家格雷戈里·溫特，因為在定向進化研究領域的開創性貢獻而獲得了2018年諾貝爾化學獎。

酶的廣泛應用

在生物體內的各種蛋白質中，酶是一種重要的蛋白質。就像我們在化學實驗中為了加快化學反應的速度而加入的催化劑一樣，酶也是一類可以為生物化學反應加速的催化劑。科學家認為，酶是自然界最巧妙的催化劑。酶的催化效率極高，選擇性強，且反應條件溫和。如果沒有酶，我們很難消化和吸收食物、細胞修復、消炎排毒等。如果我們體內失去了酶，生命也就走向了終點。

雖然酶是生命延續的重要工具，自然界的生命體中就存在著各種各樣的酶，但是人們還是不滿足于僅僅獲取來自自然界中酶的收益，還將天然的或人工合成的酶用于生產多種原材料或產品。隨著蛋白質工程的蓬勃發展，這種來自生命體內的催化劑，也應用于工業催化的方方面面。比如：醬油、食醋、酒的生產都是在酶的作用下完成的;洗衣粉中加入酶，可以使洗衣粉去污效率提高;各種酶制劑在臨床上的應用也越來越普遍。由于酶的應用廣泛，酶的提取和合成就成了重要的研究課題。

從第一次工業革命開始，人們就希望能快速合成一些自然界中存在或不存在的物質，現在這樣的合成技術越來越多且越來越成熟。當科學家面對生物大分子的合成和設計時，還是感到十分吃力，因為生物大分子是自然界中最復雜的分子。在1990年以前，科學家在人工設計新蛋白質分子方面，一直沒有獲得太大的進展，因為酶的結構實在太復雜了。

酶的定向進化

酶由20種不同的氨基酸組成。一個酶可以包含成百上千個氨基酸分子，有無數種可能的排列組合;它們連接成長鏈，折疊成多種三維結構。要想對如此復雜的結構進行理性設計，用阿諾德的話說，“這有些自不量力。”阿諾德是半路出家的生物化學家，大學本科時學的是機械與航空航天工程專業，只是在上碩士研究生的時候才轉向蛋白質工程研究。

阿諾德打破常規思維，不是想著以傳統的化學方法來設計蛋白質分子，而是借助進化的力量。1993年，阿諾德進行了第一次酶的定向進化，獲得了新的酶。阿諾德著迷于進化的力量。“進化是世界上最強大的工程方法，我們應該利用它來尋找解決問題的新的生物解決方案。”阿諾德在2017年接受加州理工學院校報采訪時說道。

自從第一批生命的種子在約37億年前誕生以來，地球上的幾乎每一寸空間都充滿著包括微生物在內的多樣化生命。生命在各種極端的環境下都能存活下來，這是因為構成生命的蛋白質在幾十億年的進化歷程中，已經被優化、改變和更新，創造出了難以置信的多樣性。

進化的本質是基因突變和自然選擇。阿諾德則是在實驗室中，通過改變微生物培養液中各種化學物質濃度的方法，讓可產生酶的微生物發生隨機的基因突變，再用合適的方法加以篩選，找出自己所需的目標微生物。利用這些微生物生產自己所需的新酶，就可以廣泛用于科學研究和工業生產了。

在非自然的環境中，比如含有高濃度大極性有機溶劑的破壞性環境中，酶的穩定性往往會受到很大影響。而在工業化生產中，酶又往往需要在有機溶劑中發揮催化作用——這一工業需求隨之帶來一個問題一能否通過調整蛋白結構提升酶在有機溶劑中的穩定性，從而保證甚至提高其催化活性？20世紀90年代初，阿諾德開始嘗試用進化的方法來設計酶，以便提升酶在工業中的應用。

阿諾德選擇的研究對象是枯草芽孢桿菌。這種細菌的蛋白酶可用于水解酪蛋白，但其在有機溶劑二甲基甲酰胺（DMF）中的穩定性極差，導致其在濃度為60%的DMF水溶液中的催化活性遠遠低于在純水中的活性。他們在表達該蛋白酶的基因中引入隨機突變，得到表達相應突變體酶的菌落，并快速篩選出了催化活性更高的突變體。通過數輪進化，他們得到了在60%DMF溶液中的催化效率提高了256倍的枯草芽孢桿菌蛋白酶突變體！這個活性水平與普通的枯草芽孢桿菌蛋白酶在水中的活性水平相當。基于這個研究，阿諾德提出了“定向進化”這一概念——通過一定程度上模擬自然進化與選擇的過程，實現對蛋白引入有益突變，從而改造蛋白功能。

枯草芽孢桿菌可定向進化出新酶。

以往在工業生產中所用到的酶，通常是在自然界中篩選出來的，比如從土壤、水、生物中進行篩選，但是這種方法周期很長，而且效率也偏低。酶的定向進化技術，是從基因水平對生產酶的微生物進行改造，從而快速獲得酶，或是進化出性能更加好的新酶。阿諾德的定向進化方法，可讓工業界以更加環保節能的方式生產酶，對化工生產、制藥、綠色能源開發等方面都有著十分重要的意義。

定向進化是在實驗室中快速完成蛋白質的進化過程。

大腸桿菌在化學物質的刺激下可定向進化出新酶。

在2013年獲得美國國家技術與創新獎時的一條視頻短片中，阿諾德教授解釋了她所做的工作：“定向進化讓我重寫生命密碼，尤其是用它來解決人類的問題。定向進化的神奇之處就在于，一旦你展示了這種能力，那么所有具有創造力的人都能夠將它應用到解決實際問題中去。”阿諾德還身體力行，參與了這項技術的商業化應用，先后與他人聯合創立了一家合成航空燃料前驅物的公司和一家殺蟲劑公司。

抗體的定向進化

抗體是生物體內能夠抵御外敵入侵的蛋白質，是生命防線中的重要成員。抗體主要有兩類，一類是正常抗體，比如對血型為A型的人來說，體內有對抗B型血輸入的抗體;還有一類是免疫抗體，通常用于抵御有毒有害的致病微生物。科學家研究比較多的是可以治病救人的免疫抗體。

如何才能發現某個基因能否產生新的抗體？科學家一直在找一個“好演員”，希望它能夠把那些能夠產生新抗體的基因很好地展示出來。1985年，史密斯率先發現了這個“好演員”，它就是噬菌體。就像它的名字一樣，噬菌體是一種能夠感染和吞食細菌的病毒。

我們都知道，基因是生產蛋白質的密碼。然而，生物體內的基因數不勝數，過去科學家一直缺乏便捷有效的方法找到生產某個蛋白質的特定基因。為解決這個問題，史密斯教授在結構極為簡單的噬菌體身上找到了靈感。他的妙想是：鑒于噬菌體的最外層是“衣殼蛋白”，可將一條基因片段插入噬菌體的衣殼蛋白基因中，隨后這條基因片段將生產出新的蛋白質，并成為噬菌體外層的衣殼蛋白的一部分——這樣，插入的基因片段所對應的蛋白質自然就在噬菌體表面“展示”出來了。因此，科學家把這種獨特的技術叫作“噬菌體展示技術”。

通過實驗，這一“展示技術”得到證實，并不斷改進。由于新培育的蛋白質能明明白白地展示在噬菌體的表面，科學家就很容易從中找到適合作新抗體的蛋白質，也能反推出產生這種新抗體的決定性基因。由于噬菌體生命周期短、繁殖速度快，這樣就能讓科學家快速地找到新抗體。通常只需要兩個星期，科學家就能找到某個抗體對應的基因，這讓科學家對新抗體的挑選余地就很大。

噬菌體展示系統模擬了自然免疫系統，使我們有可能模擬體內抗體生成過程，讓抗體能夠加速進行定向進化，大大促進了免疫藥物的研發和生產速度。噬菌體展示技術在定向分子進化過程中發揮非常大的作用，不僅在抗體研究領域作用很大，還能用于酶及其活性的研究。經過近30多年的發展和完善，噬菌體展示技術已開始造福人類。這種技術被廣泛應用于抗原抗體庫的建立、藥物設計、疫苗研究、病原檢測、基因治療等。

一般人發明了這樣好的技術，馬上就會去申請專利，或者開公司賺錢。然而，史密斯選擇讓別人無條件地使用他的噬菌體展示方法。許多科學家都在利用史密斯開發出的噬菌體展示技術，其中具有顯著成效的是溫特。在獲知史密斯的噬菌體展示技術后.溫特開展了大量的抗體定向進化研究。他不斷地用住實驗室中獲得的特定基因插入到噬菌體基因中，然后分析噬菌體產生的新蛋白質，從中篩選出新的抗體。他因此成了第一個利用抗體定向進化技術發明新藥的人。這個藥物是阿達木單抗（單克隆抗體），從2002年開始正式用于治療類風濕關節炎、銀屑病和炎癥性腸病。

定向進化是人類對生命認知的一次重大變革，它對未來地球生命將產生重大而深遠的影響。如果用好這些工具，不但可以讓人們的生命家園更加美好，而且可以讓我們健康長壽。當然，我們也得警惕定向進化被人利用，從而設計出不利于人類的奇特生物，那很可能改變地球生態，給人類帶來難以想象的災害。（責任編輯 張虹）

獲獎者簡介

弗朗西絲·阿諾德（Frances H.Arnold），生物化學家，美國加州～ALY-學院教授，迄今為止第五位獲得諾貝爾化學獎的女科學家。1956年生于美國匹茲堡，1979年本科畢業于美國普林斯頓大學，1986年于美國加州大學伯克利分校獲博士學位。

喬治·史密斯（George P.Smith），生物學家，美國密蘇里大學生物科學系榮譽教授。1941年生于美國諾沃克，1970年于美國哈佛大學獲博士學位，然后到威斯康星大學做博士后（合作導師：諾貝爾獎獲得者奧利弗·史密斯），1975年到密蘇里大學工作。2007年獲美國微生物學會頒發的普羅麥格生物技術研究獎。

格雷戈里·溫特（Gregory P.Winter），分子生物學家，英國劍橋大學MRC分子生物學實驗室名譽研究主任。1951年生于英國萊徹斯特，1976年于英國劍橋大學獲博士學位。1989年創立了劍橋抗體技術公司，參與抗體工程研究。2011年獲英國皇家學會頒發的皇家獎章。

堅韌不拔的女科學家

弗朗西斯·阿諾德教授是諾貝爾獎118年歷史上第五位女性化學獎得主。最近一位化學獎得主是2009年以色列的艾達·約納特，此前獲得該獎項的女性得主包括1911年的瑪麗·居里、1935年的伊雷娜·約里奧一居里與1964年的多蘿西-霍奇金。同時，阿諾德也是首位獲得諾貝爾化學獎的美國女科學家，是最早獲得美國國家科學院、美國國家工程院、美國國家醫學院“三院院士”稱號的女性科學家，也是英國皇家工程學院外籍院士。

阿諾德1956年出生于美國匹茲堡的一個科學世家，她的父親是美國著名的核工程專家，在43歲那年獲得了美國工程院院士稱號。巧的是，阿諾德也是在43歲時獲得美國工程院院士的稱號，他們是美國歷史上為數不多的一對“父女院士”。

近年來，阿諾德獲得了許多重要的獎項，成為令人矚目的明星科學家。2013年，她獲得美國國家技術與創新獎，奧巴馬在白宮親自為她頒獎。2014年，她入選國家發明家名人堂。2016年，她成為第一位獲得芬蘭科技學院頒發的“千年技術獎”的女性。2017年，她獲得了美國國家科學院頒發的薩克勒獎。

但事業上成績斐然的阿諾德，卻在生活上遇到諸多坎坷。2001年，阿諾德的第一任丈夫、美國工程院院士、生物化學工程師詹姆斯·貝利患癌癥去世;2005年，阿諾德確診患乳腺癌，接受了18個月的治療;2010年，她的第二任丈夫、美國科學院院士、著名的宇宙學家安德魯·朗格自殺身亡;2016年，她正在上大三的兒子也在意外中身亡。

作為女性科學家，常會面對性別壁壘和成見，比如有人懷疑，女性是否擁有與男性一樣的承擔某些工作的能力。有的男性同事也用“咄咄逼人”和“好斗”這些負面詞匯形容她。

但阿諾德說，“非常幸運的是我并不在意這些人的存在，我為能夠完全忽視他們感到幸運。”

一個堅強的女性，一個成功的追夢女科學家。命運強加給她的所有坎坷挫折，都被她用以砥礪自己，而她的獲獎，也不過是她科學生命的新起點。阿諾德教授目前仍在做“定向進化”方面的研究，但更加側重創造一些新的、更好的酶。“她仍在不斷超越自我，通過試管模擬進化，來創造自然界難以創造的東西。”她的學生這樣評價道。如今，在全世界，她至少有50余名在化學、生物化學、生物工程和生化制藥領域里做教授的前博士生和博士后，她在這些領域培養了不少優秀人才。