本文转载自诺贝尔化学奖系列，原文为《【2018诺贝尔化学奖】化学的(革命性)进化》译者/蔡云明|台湾省立大学化学系荣誉教授
化学的革命性进化
，进化的力量通过生命展现。2018年，诺贝尔化学奖被授予范克斯h阿诺德、乔治P史密斯和格雷戈里p温特，以表彰他们通过控制进化为人类实现最大利益的努力。定向进化产生的酶已被用于生产包括生物燃料和药物在内的物质。通过噬菌体展示方法，抗体的进化可用于对抗自身免疫性疾病和治疗某些特定情况下的转移性癌症。
我们生活在一个由强大力量支配的星球上：进化。37亿年前，当生命的第一粒种子出现时，几乎地球的每一个裂缝中都充满了能够适应环境的生物：生长在光秃秃的山脉中的地衣，在温泉中茁壮成长的古老细菌，能够在干燥的沙漠中生存的有鳞爬行动物，以及能够在黑暗的深海中发光的水母。
在学校，我们在生物课上学习这些生物，但是让我们戴上一副化学家的眼镜，从另一个角度去观察。地球上的生物之所以能够存在，是因为进化解决了无数复杂的化学问题，所有生物都有能力从其所处环境的小生境中获取物质和能量，并利用它们来构建其成分所特有的化学创造物。鱼类能够在极地海洋中游泳是因为它们血液中的抗冻蛋白，贻贝能够附着在岩石上是因为它们开发出了能够在水中运作的分子粘液，这只是几个例子。
化学的奇妙之处在于，它是由基因的密码设计的，它可以遗传，不断进化。一个小基因可以随机改变其化学性质，这有时会导致一个虚弱的有机体，但也可能导致一个强大的个体。新化学发展缓慢，地球上的生命变得越来越复杂。
这个过程现在已经进化成三个非常复杂的人类个体，具有控制进化的能力。2018年诺贝尔化学奖颁给了这三位科学家，因为她/他们通过定向进化创新了化学和新药的发展。先介绍一下酶工程的明星：范克斯h阿诺德。
2018年诺贝尔化学奖获得者可以在她/他们的实验室中控制进化并进一步发展。图/诺贝尔化学奖系列
酵素生命的化学工具中之利器
即使在1979年，作为一个获得机械和航空航天工程学位的新人，阿诺德就已经有了一个愿景：通过新技术的发展来寻求人类的福祉。美国已经决定到2000年其20%的能源将来自可再生能源，而她恰好正在研究太阳能。然而，这个行业的未来前景在1981年总统大选后发生了巨大的变化，于是她将目光投向了新兴的DNA技术。她说，“显然，对于我们日常生活中需要的材料和化学物质，我们可以使用重写生命密码的能力。」
制造药物、塑料和其他化学品的传统方法需要强溶剂、重金属和腐蚀性酸。她的想法是放弃这些方法，转而使用生命的化学工具：酶，它催化地球生物体内发生的化学反应。如果她能掌握设计新酶的方法，她就能从根本上改造化学。
人的思考是有限的
起初，阿诺德像80年代后期的许多其他学者一样，试图通过使用推理策略来重塑酶的新特性。然而，酶是极其复杂的分子，由20种不同的结构单位氨基酸以几乎无限可能的组合组成。单个酶分子可以包含数千个氨基酸，这些氨基酸连接成长链型，并进一步折叠成三维结构。用于催化特定化学反应的局部结构建立在整体结构内部。
用逻辑推理来决定如何重新调整这种精确的结构以赋予它新的功能是非常困难的，即使以现在的知识和计算机能力。上世纪90年代初，在大自然的超群能力下，阿诺德决定放弃上述“有点自大”的策略。相反，她受到了利用自然优化化学的方法的启发：进化。
阿诺开始操弄演化
几年来，她试图改变一种叫做“枯草杆菌蛋白酶”的酶，使其能够在有机溶剂：二甲基甲酰胺(简称DMF)中操作，而不是在水溶液中催化化学反应。这时，她故意在酶的基因编码中制造随机变化——突变——然后将这些突变的基因引入细菌，产生了成千上万种不同的枯草杆菌蛋白酶变体。
之后，面临的挑战是如何从如此多的变体中找出哪些酶在这种有机溶剂中最有效地运行。在进化化学中，我们谈论的是适者生存；在定向进化化学中，这个阶段叫做“选择”。
利用Arnold枯草杆菌蛋白酶切割一种乳蛋白酪蛋白的能力，在35% DMF水溶液中，首先筛选出切割酪蛋白效率最高的枯草杆菌蛋白酶变异体，然后对该变异体进行下一轮随机突变，获得另一个在DMF中效率更高的变异体。
在第三代枯草杆菌蛋白酶中，她发现了一种变体，其在DMF中的效率比原始酶高256。
倍。这个酵素的变体总共含有十个不同位置的突变，最终造成的优异效果是没有人能够事先预测的。
透过这些实验，阿诺展示了若要掌控新酵素的研发，仅凭藉人的推理能力，将远逊于让机率以及定向（人为）选汰来运作的力量。这是我们现在所见证的革命性发展之第一步，也是最具决定性的一步。
接下来的另一重要步伐，是由一位荷兰研究人员及发明家史坦姆（Willem P. C. Stemmer）所迈出的，但他已于 2013 年过世。他引进了另一个酵素定向选汰的维度：试管中的交配。
交配──为了更稳定的演化
一个自然演化的先决条件是不同个体的基因可透过交配或授粉的方式混合，有用的性质可藉此结合，而得到更强壮的生物体，在此同时，较不具功能的基因突变，将于代代相传的过程中消失。
史坦姆运用的是交配的试管对等法：DNA 改组（DNA shuffling）。在 1994 年，他将基因的不同版本切割成小片段，然后透过 DNA 科技的工具，将这些片段重新组合成一个完整的基因，就好像是原始基因的一个马赛克版本。
透过好几轮的 DNA 改组，史坦姆将一个酵素改变成比原始版本更有效率。这显示利用基因的交配──研究人员称之为「重组」──可达成更有效率的酵素演化。
新酵素製出永续生质燃料
那些 DNA 科技的工具自 1990 年代初期开始不断的优化，用于定向演化的方法亦倍数成长。阿诺在这些发展中一直具有领先的优势；现在她的实验室所产出的酵素能催化的化学反应，甚至于根本不存于大自然中，而能製造出全新的材料，她裁製出的一些酵素也成为製造不同物质（例如药物）的重要工具。化学反应不但可被加速，且减少不要的副产物。在某些例子中，可以去除透过传统方法须使用的重金属，大幅减少对环境的冲击。
事情的发展更回归了原位，阿诺又重新回头开始研究再生能源的製造。她的研究小组研发出一些酵素，能将简单的糖转化成异丁醇，那是一种高能量物质，可用于製造生质燃料和较永续的塑胶。一个长程目标是製造出的燃料能让运输业更为环境友善，另类燃料──用阿诺的蛋白质所製造的──能用在车辆或飞机上。以这样的方式，她的酵素促成了一个更永续的世界。
至于 2018 年诺贝尔化学奖所表彰的另一份工作，则是将定向演化导向了製药，所产出的药物能中和毒素，或对抗自体免疫疾病的进展，甚至在某些病例中治癒转移的癌症。这是由一个能感染细菌的小小病毒所扮演的重要角色，而这个方法被称为「噬菌体显示」（phage display）。
史密斯运用噬菌体
经常发生的情况是，科学走了一条无法预测的路径。在 1980 年代的上半期，当史密斯开始使用噬菌体──能感染细菌的病毒──主要是期望它们能用在基因选殖。此时 DNA 科技仍未成熟，而人类基因体仍是一块未开发的土地，研究人员知道製造身体所需蛋白质的所有基因都存于其中，但是想要指认某一个蛋白质的基因，就好像在大海中捞针一样困难。
不论如何，对能找到那个基因的科学家而言，将具有极大的益处。运用当时最新的基因学工具，基因可以插入细菌中──靠着一点运气──该细菌能製造出大量想要研究的蛋白质，这整个程序被称为基因选殖。而史密斯的想法是，寻找基因的研究人员可以透过一个巧妙的方式，运用噬菌体来做到。
噬菌体：一个蛋白质与其未知基因的连结
噬菌体本质上具有很简单的构造，它含有一小段的基因物质，封装在一个由保护蛋白质形成的鞘膜中。当複製时，会将它们的基因物质注入细菌中，绑架细菌的代谢系统，接着利用细菌製造出噬菌体基因物质的拷贝，以及形成保护鞘膜需要的蛋白质，由此产生新的噬菌体。
史密斯的盘算是研究人员应可运用噬菌体的简单构造，找出一个已知蛋白质的未知基因。在此时，已经有一些大型的分子库存在，其内含有许多各种未知基因的片段，他的构想是这些未知基因的片段，可与形成噬菌体鞘膜的一个蛋白质基因融合，当新的噬菌体製造出来时，这个未知基因对应的蛋白质，就会出现在这个噬菌体的表面，与形成鞘膜的一个蛋白质结合在一起。
抗体可钓出正确的蛋白质
这个做法会导致生成一个噬菌体的混合物，各带有许多不同的蛋白质于其表面。史密斯推论在下一个阶段，研究者应能利用抗体，将带有各种已知蛋白质的噬菌体，自这碗汤液中钓出。抗体是一些具有导向飞弹功能的蛋白质；它们能从数万种蛋白质中，以高度的精準度，辨识并束缚住一个特定蛋白质。利用一个已知蛋白质的抗体，如果研究者能逮住一个自这碗汤液中钓出的东西，就可以顺带钓出这个蛋白质对应的未知基因。
这是一个漂亮的构想，而史密斯于 1985 年证实那是可行的，他製造出了一个噬菌体，其表面携带了一个蛋白质的部份胜肽，运用一个抗体，成功的将这一个他製造的噬菌体，由含有许多不同噬菌体的汤液中钓出。
透过这个实验，史密斯建立了现在被称为「噬菌体显示法」的基石。此法的精彩处在于它的简便，它的长处则是将噬菌体当成一个蛋白质与它的基因之连结。不过此法却在基因複製的领域之外，取得其最主要的突破性进展；在另外一方面，于 1990 年左右，几组研究人员开始运用噬菌体显示法，来发展新的生物分子。其中一个採用此技术的人就是温特（Gregory P. Winter）。感谢他的研究，使得噬菌体显示法现在带给人类更大的福祉，要了解其原因，我们需要对抗体进一步的认识。
抗体可遏阻疾病的进展
人类的淋巴系统能产生数十万种不同抗体的细胞。在这一个发展完善的体系中，这些细胞通过检验，不会攻击任何属于身体之各种型态的分子，不过这庞大的种类能确保总是会有抗体，能附着在感染我们的病毒或细菌之上，一旦抗体附着在上面，就会传送讯号给强悍的免疫细胞，赶来消灭入侵者。
因为抗体具有高度的选择性，在数万种分子中，只会附着在一个特定分子上，因此研究人员很早就希望设计抗体，能遏阻各种疾病在体内的进展，扮演药物般的功能。最初为取得这些医疗用的抗体，是将各种药物的标的物，例如癌细胞的蛋白质，注入老鼠体内。不过在 1980 年越来越清楚地知道此法是有侷限的；某些物质对老鼠是有毒的，但也有一些不会产生任何的抗体。更进一步发现这样取得之抗体，会被病人的免疫系统视为异物，而被攻击，导致这些老鼠抗体被破坏，为病人带来副作用。
由于这个障碍，促使温特开始研究史密斯的噬菌体显示法可能具有的潜力。他想要避免使用老鼠，改成发展基于人类抗体的药物，因为它们可以被我们的免疫系统所容忍。
温特将抗体置于噬菌体的表面
抗体是具有 Y 字形的分子；靠着每只手臂的远端附着在外来物质之上。温特将此部分的基因讯息，与噬菌体鞘膜的一个蛋白质基因融合，于 1990 年他成功的证实此法，让抗体的结合部位出现在噬菌体的表面。他所用的抗体是设计来与一个称为 phOx 的小分子结合，当温特用 phOx 作为一种分子钓鱼鈎，他成功的从一含有四百万个其它噬菌体的汤液中，钓出那个含有抗体在其表面的噬菌体。
在这之后，温特展示了他能将噬菌体显示法运用于抗体的定向演化。他製造了一个噬菌体库，其内包括数十亿不同的抗体表现在噬菌体的表面，从这个库藏中，他钓出了一些可与不同蛋白质标的结合的抗体，接着他随机突变这第一代的抗体菌株，进而创造出一个新的噬菌体库，从中找到与标的物具有更强结合力的抗体。例如在 1994 年，他用此法发展出了一些抗体，能以非常高的专一性与癌细胞结合。
世界上第一个基于人类抗体的药物
基于抗体的噬菌体显示法，温特与他的研究同仁创立了一家公司，在 1990 年代发展出一个完全基于人类抗体的药物： adalimumab，此抗体能中和一个称为 TNF-alpha 的蛋白质，该蛋白质驱动许多自体免疫疾病的发炎反应。于 2002 年此药物被核准医治风湿性关节炎，现在亦用于治疗不同型态的牛皮癣和发炎性肠疾。
药物 adalimumab 的成功，刺激了製药业的重要发展，而噬菌体显示法已被用来製造包括癌症在内的各种疾病抗体。其中有一个抗体能让体内的杀手细胞释出，以攻击肿瘤细胞，使肿瘤生长迟缓下来。在某些例子中，那些产生转移的癌症病患甚至也能被治癒，成为癌症医疗的历史性突破。另一个抗体药物被核准用于中和造成炭疽病的细菌毒物，另一种药物能减缓称为狼疮的自体免疫疾病；还有更多的抗体现在正在进行临床实验，用来对抗阿兹海默症等疾病。
一个化学新时代的开始
由 2018 年的诺贝尔化学奖得主们所开发的方法，现在正以跨国际的方式发展，来提升一个更为永续的化学产业，产出新的材料，製造永续的生质燃料，减轻疾病挽回生命。酵素的定向演化和抗体的噬菌体显示法，让阿诺、史密斯和温特带给人类最大的福祉，并为化学的革命性变化立下基石。
内容来源网络，如有侵权，联系删除，本文地址：https://www.230890.com/zhan/188145.html
内容来源网络，如有侵权，联系删除，本文地址：https://www.230890.com/zhan/188145.html