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用生物方法解决化学问题——定向进化和噬菌体展示
——2018年诺贝尔化学奖解读
郭晓强
2018年诺贝尔化学奖授予两个方向：
1/2授予加州理工学院阿诺德（Frances H. Arnold），奖励她在“酶定向进化”方面的贡献；
阿诺德（图片来自https://journaltimes.com/news/world/the-latest-scientists-applaud-nobel-chemistry-winners/article_a74c4bab-b12c-59df-929c-53fda60e6734.html）
1/2由密苏里大学哥伦比亚分校史密斯（George P. Smith）和剑桥分子生物学MRC实验室温特爵士（Sir Gregory P. Winter）分享，奖励他们在“肽和抗体噬菌体展示”方面的贡献。
史密斯（图片来自https://journaltimes.com/news/world/the-latest-scientists-applaud-nobel-chemistry-winners/article_a74c4bab-b12c-59df-929c-53fda60e6734.html）
温特爵士（图片来自https://en.wikipedia.org/wiki/Greg_Winter）
第一部分：酶的定向进化——解决化学问题新策略
今天，化学常遭到人诟病，原因主要在于高风险（易爆炸），高污染（许多新闻化学与污染常一起出现），问题出在哪里呢？经典化学反应往往条件剧烈（高温高压）、副产物多、所用催化剂常涉及重金属，这些都是重要污染来源，经过传统方法完善和改进，情况虽有所好转，但仍问题多多，此时许多人将目光转向生物化学。生物化学反应特点是，条件温和、专一性好（几无副产物）、酶作为催化剂本质都是蛋白质（这里不讨论核酶），因此污染性极地。这么好的事就没缺点吗？当然有，问题就出在酶上。首先，蛋白质稳定性差（易降解失效），敏感性高（条件不合适就无活性），如能找到皮实（牢固耐用）的酶，问题将可迎刃而解，这个过程称为酶的改造。今年诺贝尔化学的酶学定向技术就在这方面做出重要贡献。
何为定向进化？简单说就是人工诱导突变后有目的筛选，是不是还是一头雾水？别着急，举例来说明一下。
小麦育种（其他育种也类似）其实就是一个定向进化例子。比如，现在有一种1米高小麦品种，它的缺点是抗倒伏性能差，因此你想把它改造为80厘米高小麦，该过程称为小麦矮化，目的之一就是增加抗倒伏。如何实现这个目的？你需要用紫外线照射花粉，引起DNA突变，然后观察后代高度，此时你会发现大部分小麦仍是1米，但少部分出现高度变化，比方说最高到1.1米，最低到90厘米，这时你只选择90厘米高小麦，其他统统淘汰；但此时仍没达到你的要求，不用担心，接下来重复操作，对90厘米小麦花粉再进行紫外线照射，对后代再进行筛选，可能会有80厘米高小麦出现，任务完成；如果没有，最低是85厘米，怎么办？没关系，继续重复，对85厘米小麦重复采用照射-突变-筛选操作，直到最后找到80厘米高小麦为止。这个过程就叫定向进化。
阿诺德把这一策略应用于酶的改造。诺贝尔奖颁奖词中提到阿诺德试图将枯草杆菌蛋白酶的催化条件从正常环境（水溶液）转换到工业环境（有机溶剂），同时酶活性还要提高，她是如何操作的呢？阿诺德首先把编码枯草杆菌蛋白酶基因（DNA）进行随机突变，从而产生多种存在些许差异的枯草杆菌蛋白酶，然后分别检测它们在有机溶剂中的酶活性，从中筛选活性最高的酶（其他淘汰）；随后对第一轮得到的酶对应DNA进一步随机突变，再产生多种些许差异的蛋白酶，再检测酶活性，筛选活性更的酶；然后重复再重复，直到找到符合预期酶活性为止。阿诺德到第三轮就找到一种比天然酶活性高256倍的突变酶。
定向进化方法为酶的改造提供一种全新策略，经过这种方法筛选到的酶突破了天然酶的诸多限制，一方面增加了稳定性和酶活性，另一方面还鉴定出许多拥有新催化活性的酶，更加拓展了酶的应用。目前基于定向进化技术得到的酶在环境治理、生物燃料生产、生物塑料制造等方面得到广泛应用，特别重要的是这一方案非常符合绿色化学的基本要求。
第二部分：噬菌体展示——抗体制造新策略
制药是化学工业重要分支，而单克隆抗体又是一类重要药物，著名的如治疗HER2阳性乳腺癌的赫赛汀（曲妥珠单抗），刚刚颁发诺贝尔生理学与医学奖癌症免疫治疗用的伊匹单抗、纳武单抗和派姆单抗等。然而，传统方法得到的单克隆抗体为小鼠来源，临床应用时，这些鼠单克隆抗体会被人体作为外源物而引发免疫反应，进而把它们降解，因此无法发挥生物活性。赫赛汀之所以可用，也是源于对它进行了人源化改造，只保留小鼠抗体核心片段（识别区），其他大部分用人抗体片段代替，这种抗体被称为嵌合型抗体。现在问题是，能否直接生产一种人源化抗体而不用费众多周折呢？噬菌体展示技术很好解决了这一难题。
噬菌体，顾名思义，就是一种侵染细菌的病毒，它们结构简单，在生物学实验室已有广泛应用。上世纪80年代，史密斯想解决一个问题，那就是如何从蛋白质找到相应基因（DNA）序列，今天这一问题可很好解决，而当时却是一个棘手难题。史密斯观察到噬菌体表面会表达一种荚膜蛋白，因此史密斯就将一个一个基因片段插入到荚膜蛋白基因中，这样外源基因产生的肽和荚膜蛋白形成一个融合体，一起跑到噬菌体外，这种技术就是噬菌体展示。那么这一技术有什么用呢？由于蛋白质在噬菌体外面，因此研究起来非常便利。比如，我们分离到一种蛋白，采用单克隆抗体技术制备出这种蛋白的抗体，根据抗体和对应蛋白间一一对应关系，就可以用抗体为诱饵，从表达上千上万种外源蛋白的噬菌体中钓到表达对应蛋白的那一噬菌体，通过对这一噬菌体中包含的外源基因部分进行测序就可确定DNA序列。这种方法的好处就是你手里有一个蛋白质，它很容易帮你找到它的对应基因，因此在基因功能方面研究得到广泛应用，然而真正发扬光大则是随后温特爵士的工作。
噬菌体展示技术（来自诺贝尔奖网站）
90年代，温特爵士决定改进噬菌体展示技术，采用了相反策略。不从抗体找蛋白基因，而是从蛋白找抗体基因。他的思路是把人所有抗体基因的片段都插入到噬菌体荚膜蛋白基因内，因此这些抗体都在噬菌体表面表达。此时，以兴趣蛋白（往往作为疾病治疗靶点）为诱饵来钓人源化抗体，最终也就获悉抗体对应基因。然后体外大规模表达这种抗体基因，就可获得大量兴趣蛋白的抗体并应用于随后的临床。温特爵士还创造性将噬菌体展示和定向进化向结合，对天然抗体进行改造，筛选与兴趣蛋白之间结合能力更强抗体（治疗效果往往更理想）。
随后，温特爵士还与同事成立生物技术公司，集中力量采用这一方法筛选兴趣蛋白抗体，不久开发成功阿达木单抗（adalimumab），它可专一性结合肿瘤坏死因子-α（TNF-α）并抑制TNF-α活性，由于TNF-α对多种自身免疫性疾病发生具有重要影响，自然它的抗体也就拥有巨大价值。2002年，阿达木单抗被批准临床应用于类风湿性关节炎、银屑病与炎症性肠病等，阿达木单抗也成为第一个临床人源化单抗。这一成功极大鼓舞了医药界的热情，随后多种人源化抗体被开发成功，同时展开临床应用，有望在中和毒素、抗击免疫疾病和治疗癌症等多个方面发挥巨大作用。
综合评价，三位科学家创立的方法在创造性方面有限（这点和诺贝尔物理学奖有点类似），但应用意义巨大（符合诺贝尔化学奖的改进原则），这也是诺贝尔化学奖委员会看重的关键。特别是“用生物方法来解决化学问题”（以前获奖的生物化学成就主要限定在生物问题）为化学发展带来新理念，评奖委员会甚至认为，这两项技术为将来的化学革命奠定坚实基础。
至此，三项诺贝尔科学奖均已宣布，共8位科学家分享，其中包含2位女性，尤其物理学时隔55年漫长等待终于迎来第三位获奖者，说明女性学术地位得到极大提升。第二特点是三项奖均与生物相关，这在诺贝尔奖历史上都极为罕见，是否预示着生命世纪的到来尚需观察。第三特征是均从应用角度出发，体现诺贝尔奖设立的初衷，为人类发展带来巨大利益。
对三项诺贝尔奖归纳总结就是：实用主义为主，女性主义胜利，生物化学重要。
（注：本文已经授权科学网公号原创发布）
相关专题：2018年诺贝尔奖
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