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借进化神功,驭千军万马—诺贝尔化学奖又颁给生物学

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发表于 2018-10-4 07:32:29 | 显示全部楼层 |阅读模式
  来源:中国科普博览
  2018年诺贝尔化学奖于北京时间10月3日18时许揭晓。两位美国科学家和一位英国科学家获得了该项荣誉。与诺贝尔物理学奖类似,化学奖也颇有“黑马”的意思。当然,争议归争议,获奖成果本身的含金量绝对对得起这份表彰。
  诺贝尔奖委员会在最初宣布奖项时,用深情而充满诗意的语调,告诉大家今年三位获奖者的获奖理由是“利用进化的力量”。


三位获奖学者,来源:诺贝尔奖官网
  美国女科学家、加利福尼亚理工学院教授Frances H。 Arnold因在定向进化(directed evolution)领域做出的开创性工作而独享一半的奖项。定向进化通过人为模拟进化发生的过程,诱使蛋白质等生物分子的结构发生变化,使之能够实现特定的功能。值得一提的是,Frances H。 Arnold是第五位获得诺贝尔化学奖的女性。
  美国科学家George P。 Smith和英国科学家Greg Winter由于在噬菌体展示技术(phage display technology)中的贡献而分享另一半的奖项。目前噬菌体展示技术已经成为药物开发的重要工具。
  两组获奖成果的本质都是利用生物细胞中内在的生理过程来实现特定的应用目的,而这个生理过程便是细胞在基因控制下合成蛋白质,它是生物体中永不停息的生化过程。今天,我们现以定向进化技术为例,介绍一下这几位科学家发明的技术是如何利用进化的力量驾驭亿万微小分子,从而造福于世的。


葡萄糖苷酶的结构示意图,来源:Thomas Shafee PhD thesis, CC BY 4.0
  定向进化的本质是一种快速产生人工蛋白质的方法
  我们都知道进化一词暗含着褒义的潜台词,它代表了一种向上,向前的趋势。反映到具体的物种身上,就是更快、更高、更强、更聪明,或者对某种不利条件具有更加强大的忍耐力。然而,生物体的进化,其内生的动力往往是构成生物体的细胞中,某些蛋白质的进化。这些进化的蛋白质需要突变的基因来对其进行表达,翻译成生物学上的说法便是基因突变后,基因对应表达的蛋白质也将发生变化。也就是说,实际上蛋白质的进化也是基因突变后的自然结果。


蛋白质合成流程中的“翻译”过程,来源:Kelvinsong@WikiPedia, CC3.0
  例如,澳大利亚的考拉在漫长的进化过程中,形成了以桉树叶为主食的习性,而后者可以产生令绝大多数动物死亡的毒性物质——萜烯。考拉体内与萜烯抗毒相关的基因高度表达,从而令考拉的肾脏可以将萜烯处理成水溶物质排出体外。而考拉强健的肾功能,就得益于其中用以分解萜烯的各种酶类在漫长的进化过程中,功能不断的得到加强。


汝之毒药,吾之蜜糖
  定向进化是如何实现的?
  定向进化的根本思路是在人工条件下对蛋白质进行反复的变异和淘汰,从而有选择性的制造出所希望的蛋白质。具体来说,首先利用DNA合成技术,建立一个含有多种碱基排列顺序的变异集团(可以认为是一个DNA库)。再利用这些DNA转录出与其结构对应的蛋白质,就可以形成一个含有多种蛋白质的蛋白质库。这些蛋白质在实现我们具体设定的目标时候,必然有功能强弱之分,之后再差中取好,优中选精。好比在产品开发过程中,淘汰差的方案,仅仅保留其中的优异分子。


定向进化和自然选择对比,来源:Thomas Shafee PhD thesis, CC BY 4.0
  到了这一步,好戏才刚开始。科学家们选出某优良蛋白质后,将再实施一遍上面工艺的逆过程,将转录该蛋白质所对应的DNA结构确定下来。然后利用已经非常成熟的PCR技术大量复制该DNA。而且,在这个复制过程中还可能同时再引入适当的变异,以期进一步提高该蛋白质的效能。这一系列的操作完成之后,就可以在极短的时间内完成蛋白质的跃变性进化。
  人工改造蛋白质的应用
  生物体中可以实现某些特定生化过程的蛋白质就是酶(也有生物酶,蛋白酶等多种叫法)。从高中课本中我们已经了解过,酶是活细胞制造的某些特殊蛋白质(极少数是RNA),它们参与生物体中的一系列生化反应,通过复杂而精妙的机制调控反应进行的速率、方向以及程度等,堪称是生物体内的魔法师。在人体中,酶通常会直接依据基因记录的遗传信息在细胞内合成,具体的过程在此不做太多阐述,大家只要知道身体中的以酶为代表的各种蛋白质可以在基因所含遗传信息的指导下合成即可。
  生物酶这一类蛋白质,在解决某些具体问题时,往往具有无与伦比的效率和能力。它们的功能是如此令人着迷,以至于人类不光希望弄清它们的运作原理,更想大量获得它们从而为我所用。实际上,人工制备的生物酶已经广泛用于洗涤剂、原油污染处理、生物质燃料制备、杀灭有害细菌等场合。而进化控制技术正是大量制造人工酶的绝佳利器。
  据《卫报》4月16日报道,近日英国科学家在研究2016年发现的某种PET塑料(聚对苯二甲酸乙二酯)降解酶的过程中,无意间改变了该酶的结构,导致其降解PET的能力有效提高,该项幸运指数爆表的发现很有可能在未来改变人类的生活方式和整个石油工业的格局。


PET回收利用的经典路线:分类——碾碎——制粉——化学纤维——环保编织袋

PET分解酶的分解路线,将PET转化为两种可降解产物,来源:参考文献5
  人类目前合成的某些蛋白酶已经能够催化一些极具应用潜力的化学反应,比如在将大气中的二氧化碳转化为燃料有机分子的反应,将大气中的氮元素与氢结合合成氨的反应等,合成蛋白的催化效率与无机催化剂相比毫不逊色
  此外,不少东亚人身体中缺乏乳糖水解酶,饮用牛奶之后会产生胀气腹泻等等不适。而添加人工乳糖水解酶的各种牛奶,则可以极大的缓解饮用牛奶后的不适。此外,人工酶的应用还包括疾病治疗。例如,人工酶有望帮助肠道疾病患者实现在胃中分解谷蛋白,从而减少肠道压力的目的。
  可见,研究和解析酶实现其功能的原因(一般就是指解析酶的结构),再用进化控制工程实现特定结构蛋白质的合成和大量生产,就可以像生产产品一般获得全新的蛋白酶。


蛋白质的X射线衍射图谱,后者是经典的蛋白质结构解析手段,来源:Jeff Dahl@Wikipedia
  定向进化所代表的蛋白质人工合成技术,为人类在微观层面上操作蛋白质、噬菌体等大型分子提供了有利武器。这些分子中的每一个都微于尘土,然而它们集聚在一起所能开拓的未来却无限广阔。感谢三位科学家以及该领域的所有科学工作者,感谢它们让人类驾驭这些奇妙的分子成为可能。
  参考文献:
  1.https://gunosy.com/articles/RzInM
  2.https://www.theguardian.com/environment/2018/apr/16/scientists-accidentally-create-mutant-enzyme-that-eats-plastic-bottles
  3.https://www.theguardian.com/environment/2016/mar/10/could-a-new-plastic-eating-bacteria-help-combat-this-pollution-scourge
  4.http://science.sciencemag.org/content/351/6278/1196
  5.https://www.keio.ac.jp/en/press_releases/2016/cb96u90000005501-att/160330_2.pdf
  6.https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/26291558
  7.http://www.pnas.org/content/pnas/early/2018/04/16/1718804115.full.pdf
  (本文中标明来源的图片均已获得授权)
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