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2018年诺贝尔化学奖深度解读!

来源:本站原创 2018-10-03 23:54

2018年10月3日 讯 /威尼斯人网址BIOON/ --北京时间10月3日下午17:30,2018年诺贝尔化学奖揭晓,来自美国加州理工学院的研究者弗朗西丝-阿诺德(Frances H. Arnoid)、美国密苏里大学的研究者乔治-史密斯(George P. Smith)和英国剑桥大学的研究者格雷戈里-温特(Sir Gregory P. Winter)共同获得此奖;其中弗朗西丝-阿诺德因研究酶的定向进化分享一半奖金。乔治-史密斯和格雷戈里-温特因研究肽类和抗体的噬菌体展示技术而共享另一半奖金。

如今通过定向进化技术开发的酶类能被用来生产生物燃料和药物等,而利用噬菌体展示技术所制造的抗体有望抵御多种疾病,包括自身免疫性疾病、甚至是转移性癌症等。我们生活在一个建立强大驱动力的星球上,即进化,自从第一粒生命种子在大约37亿年前开始出现,地球上几乎每一个缝隙中都会存在适应环境的有机体,比如地衣可以生活在光秃秃的山坡上,古细菌会生活在温泉之中,有鳞的爬行动物会生活在沙漠,水母会在深海中发光等等。

在学校里,我们会在生物学课本上了解这些生物,地球上的生命之所以存在是因为进化常常会解决多种复杂的化学问题。所有的有机体都会从其所生存的环境中提取物质和能量,并利用它们来构建其机体所需要的独特化学组分。鱼类之所以能在极地海洋中游泳是因为其血液和肌肉中的抗冻蛋白,这种蛋白能粘附在岩石上并帮助产生一种水下分子胶,而这只是无数例子中的一个。

而生命化学的光辉之处在于其被编入了机体的基因,让这种光辉得以继承和发展;基因的小型随机改变就会改变其化学特性,有时候会产生一种较弱的有机体,而有时候则会产生较为健壮的有机体,随着新型化学学科不断发展,地球上的生命也变得越来越复杂了。上述三位研究者之所以获得2018年诺贝尔化学奖,因为其通过定向进化方法使得化学和新药的开发都发生了革命性的变化。让我们先从酶工程之星—弗朗西丝?阿诺德开始说吧。

图1:科学家们利用进化研究并在实验室中深入探索

酶类—生命最锋利的化学工具

即使是在1979年,作为一名刚刚毕业的机械和航天工程师,弗朗西丝-阿诺德也有一个清楚的愿景,那就是通过新技术来造福人类,美国曾表示,截止到2000年20%的电力将来自可再生能源,于是研究者弗朗西丝?阿诺德开始进行太阳能方向的研究,然而在1981年总统选举之后,这个行业的前景发生了根本的变化,随后她转向对新型DNA技术进行研究,正如她自己所表达的那样,通过重写生命代码的能力,一种制造日常生活所需材料和化学品的全新方式将会得以实现。

代替使用传统化学方法来生产药物、塑料和其它化学品(传统化学手段通常需要强溶剂、重金属和腐蚀性酸),研究者弗朗西丝?阿诺德的想法是利用一种生命的化学工具:酶类来进行研究,酶类能催化地球上任意有机体机体中发生的化学反应,如果能够设法开发出一种新型酶类的话,弗朗西丝-阿诺德或许就有望改变整个化学研究领域。

人类的思维存在局限性

起初,与20世纪80年代末期很多科学家一样,弗朗西丝-阿诺德尝试利用传统的方法来重建酶类给予其新的特性,但酶类是一种非常复杂的分子,其由20种不同的氨基酸元件以不规则的方式组成,单一的酶类则由几千个氨基酸组成,它们常常以长链的形式连接在一起,从而折叠形成特殊的三维结构,而在这些结构中就能够创造出催化特定化学反应所必需的环境。

利用逻辑学来计算如何对复杂的结构进行重塑来赋予酶类一种新的特性似乎是非常困难的,甚至是利用当前的知识和计算机能力或许也是无法实现的,20世纪90年代早期,面对大自然的优越感,弗朗西丝-阿诺德表现地很谦卑,而用她的话来讲,她决定放弃这种有点傲慢自大的想法,相反她从大自然自身优化化学的方法中找到了灵感,那就是进化。

图2:酶类定向进化背后的机制

开始“玩”进化

多年来,弗朗西丝-阿诺德尝试对一种名为枯草杆菌蛋白酶(subtilisin)的酶类进行改造,以便使其能够在有机溶剂(DMF,二甲基甲酰胺)中工作,而不是在水溶液中催化化学反应,如今她对酶类的遗传代码进行随机改变,随后将这些突变基因引入到细菌重视起能够产生数千种不同突变形式的枯草杆菌蛋白酶。

在此之后,研究者所面临的挑战就是找出在有机溶剂中哪种突变体表现出的效果最好,在进化过程中我们讨论的是生存,而在定向进化中这一阶段则被称之为选择阶段。研究者利用枯草杆菌蛋白酶来破碎牛奶中的酪蛋白,随后她在35% DMF的溶剂中选择出了能最有效破碎酪蛋白的枯草杆菌蛋白酶突变形式,紧接着弗朗西丝-阿诺德在枯草杆菌蛋白酶中引入了新一轮的随机突变,从而衍生出了能在DMF中表现更好的突变体。

在第三代枯草杆菌蛋白酶中,研究者发现了一种作用效率是原始酶类256倍的特殊突变体,这种酶类突变体拥有10种不同突变的组合,并没有研究人员能够预测其所带来的好处;随后研究人员展示了这种定向选择的力量,其能够帮助改进新型酶类的产生,这或许也是研究人员迈出的革命性一步,接下来重要的一步是由研究者Willem P. C. Stemmer俩进行的,Willem P. C. Stemmer是一名荷兰的研究者,于2013年去世,他描述了酶类定向进化的另一个方面,即在试管中进行配对。

配对—获得更稳定的进化特性

比如,自然进化的先决条件就是来自不同个体的基因通过配对或授粉来混合,有益的特性常常会被结合,而且同时也会产生一种更加强壮的有机体,与此同时,功能低下的基因突变就会在一代一代进化过程中消失;研究者Willem P. C. Stemmer利用的检测管就等同于配对(DNA改组,DNA shuffling)。1994年,他证明了将不同版本的基因切割成小块是可能的,随后在DNA技术的帮助下,研究者将这些小块拼接成了一个完整的基因,即原始的拼接版本。

进行了多个周期的DNA改组后,Willem P. C. Stemmer就对酶类进行了改变,以便其能比原始酶类更加有效,这就表明,基因重组或能使得酶类产生更加有效的进化。

新型酶类能够产生可持续的生物燃料

自20世纪90年代初期以来,DNA技术就被重新进行了改装从而就使得用于定向进化的方法成倍地增加了。弗朗西丝-阿诺德在这些研究中处于领先地位,如果她的实验室中产生的酶类能催化自然界中根本不存在的化学反应,从而产生全新的材料。她定制的酶类也成为了制造各种物质的重要工具,比如药品等;随着化学反应的加速,其所产生的副产品也会较少,而且在某些情况下还可能会排除传统化学反应所需要的重金属,这样就大大减少了对环境的影响。

事情仿佛回到了原点,弗朗西丝-阿诺德又开始从事可再生能源的生产了,如今她的研究小组能够开发出将单糖转化为异丁醇的酶类,异丁醇是一种能用来生产生物燃料和绿色塑料且能量丰富的物质;研究者的一个长期目标就是为运输部分生产燃料,如今阿诺德开发的蛋白质所产生的可替代燃料能够用在骑车和飞机上,她也以这种方式为绿色世界做出了自己的贡献。

下面让我们说一下本届诺贝尔化学奖的第二部分,研究者们通过定向进化的方法直接开发出了特殊的药物,其能帮助中和毒素,抵御自身免疫性疾病的进展,有时候甚至还能治疗转移性癌症,这是一种特殊的噬菌体展示技术所带来的成果。

利用噬菌体进行研究

科学研究常常是一条无法进行预测的道路,20世纪80年代初,乔治-史密斯就开始使用噬菌体感染细菌,目的是希望感染的细菌能够克隆基因,当时的DNA技术还很“年轻”,而人类机体的基因组就好比是一个新大陆一样,研究人员知道,人类基因组包含着能产生人体蛋白质所需的所有基因,但识别编码特定蛋白质的基因似乎就像大海捞针一样困难。

然而,研究人员能够利用新型的遗传工具将基因插入到细菌基因组中,从而就能够让细菌制造出大量蛋白质以供研究,整个过程被称为基因克隆,而研究者乔治?史密斯的想法就是,寻找基因的研究人员应该巧妙的使用噬菌体来完成研究。

噬菌体—连接蛋白和未知基因的桥梁

噬菌体本质上很简单,其是由被蛋白质包裹的小片段遗传物质组成,当其繁殖时常常会将遗传物质注入到细菌中来劫持细菌的新陈代谢,随后细菌就会产生新的噬菌体遗传物质和蛋白质,随后就会形成新的噬菌体。乔治-史密斯认为,研究人员应该利用噬菌体的简单结构来寻找编码已知蛋白质的未知基因,此时研究人员已经建立了大型的分子文库,其中包含了大量未知的基因片段,乔治-史密斯表示,这些未知的基因片段能够与噬菌体胶囊中编码蛋白的基因结合在一起,当产生新的噬菌体时,来自未知基因特殊蛋白质最终就会作为胶囊蛋白的一部分出现在噬菌体表面(见图3)。

图3:噬菌体展示技术原理图

抗体能够摸索出正确的蛋白质

而这将会导致表面携带不同蛋白质的噬菌体混合在一起,随后研究者乔治-史密斯就假设研究人员能够使用抗体来发现携带多种已知蛋白质的噬菌体,而抗体的功能类似于目标导弹,其能够有效识别并且以非常精确的方式结合到单一蛋白质上,如果研究人员在混合噬菌体中捕捉到了某些东西,而且他们知道这种抗体能够吸附到了一种已知的蛋白质上,那么作为一种副产物,研究人员就能够得到这种蛋白质的未知基因。

1985年,乔治-史密斯就证明了这种方法是可行的,随后他制造出了一种能在表面携带肽类蛋白的噬菌体,利用这种抗体,研究者就能从许多混合的噬菌体液体中提取出其所构建的噬菌体。

抗体能够阻断多种疾病的进程

人类机体的淋巴系统中含有多种细胞,而这些细胞能够制造出成百上千种不同种类的抗体,利用一种成熟的系统,所有这些细胞都能被进行检测以便没有任何一种抗体会吸附到机体多种类型的分子上。然而这种巨大的变化确保了总有一种抗体能够吸附感染宿主机体的病毒或细菌,当抗体吸附到异物表面时其就会向机体攻击性的免疫细胞发送信号,告知这些免疫细胞应该杀灭入侵者。

由于抗体具有高度选择性,而且能够吸附在成千上万个分子中的一个分子表面,因此长期以来研究人员一直希望设计出能够阻断机体多种疾病进程的抗体。最初,为了获得这些治疗性抗体,研究人员给小鼠注射不同的药物靶点,比如来自癌细胞的蛋白质等;然而,20世纪80年代,科学家们越来越清楚的意识到这种方法局限性,其中有些物质对小鼠具有毒性,而其它物质则不会诱发小鼠机体产生抗体,此外,研究者还发现,机体获得性的抗体常常会被患者的免疫系统识别为外来抗体,并对这些抗体发动攻击,这就常常会导致小鼠机体中的抗体被破坏,而对于患者而言就会出现副作用的风险。

将抗体置于噬菌体表面

抗体是一种Y形分子,研究者Greg Winter将抗体的遗传信息与编码噬菌体胶囊蛋白的基因相连接,20世纪90年代,他通过研究证明了这种抗体的结合位点最终会出现在噬菌体表面,而其设计的抗体能够吸附名为phOx的分子,当Winter利用phOx作为分子鱼钩时,他成功地从400万个噬菌体混合物中挑选出了携带抗体的噬菌体。

研究者Greg Winter表示,他可以在抗体的定向进化中利用噬菌体展示技术,随后他构建了能够携带数十亿种抗体分子的噬菌体文库,在该文库中,研究者就能够筛选出吸附不同靶点蛋白的抗体;随后研究者随机改变了第一代抗体并创建了一种新的抗体文库,结果发现该文库中的抗体对目标具有更强的吸附能力,比如,1994年研究者就利用该方法开发了一种抗体,这种抗体能以较高的特异性吸附到癌细胞上。

图4:利用噬菌体展示技术进行的抗体定向进化的原理图

世界首个基于人类抗体的药物

随后研究者Greg Winter及其同事基于抗体的噬菌体展示技术创建了一家公司,20世纪90年代,研究者开发出了一种完全基于人类抗体的药物—阿达木单抗(adalimumab),这种抗体能够中和名为TNF-α的蛋白质,TNF-α则能够驱动许多自身免疫性疾病患者机体中炎症的发生;2002年,这种药物获批用来治疗风湿性关节炎,同时还能治疗多种类型的银屑病和炎性肠病。

阿达木单抗的成功刺激了制药行业不断的发展,如今噬菌体展示技术已经被用于生产多种癌症抗体等,其中一种抗体能够释放机体的杀伤细胞以便能有效攻击肿瘤,这样肿瘤的生长就会被减缓,甚至在某些情况下一些转移性的癌症患者也能被治愈,这或许就是癌症治疗领域的历史性突破了;另外一种获批的抗体则能够中和诱发炭疽的细菌毒素,其它抗体能够减缓诸如红斑狼疮等自身免疫性疾病的进展。

化学研究领域新时代的开始

2018年诺贝尔化学奖得主所发明的方法正在国际上不断发展,这或将能推动更为绿色的化学工业,帮助开发新型材料,制造可持续的生物燃料,帮助减轻人类疾病且拯救生命;酶类的定向进化和噬菌体抗体展示技术也让三位科学家们为人类的健康做出了应有的贡献,并为化学研究领域的革命奠定了坚实的基础。(威尼斯人网址Bioon.com)

参考资料:

[1] Arnold, F. & Macuare, K. A. (2016) The NAI Fellow Profle: An Interview with Dr. Frances Arnold.  Technology and Innovation, 18, 79-82

[2] Harding, A. (2006) Profle Sir Greg Winter—humaniser of antibodies. Lancet, 368, S50

[3] Nightingale, K. (2013) Greg Winter: Pioneering antibody drugs.

[4] Trager, R. (2018) In situ with Frances Arnold. Chemistry World.

Videos

[1] MoleCluesTV (4 June 2017) Frances Arnold: New enzymes by evolution

[2] SlidesLive (23 Nov 2015) Therapeutics Antibodies: A Revolution in Pharmaceuticals

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