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又是诺贝尔理综奖 18次颁奖12次给了生命科学领域

http://dailynews.sina.com   2018年10月03日 07:36   北京新浪网

  原标题:又是诺贝尔理综奖!18次颁奖,12次给了生命科学领域

  来源:科技日报

  科技日报记者 张盖伦 操秀英

  又双叒叕和生命科学相关!

  北京时间10月3日下午,2018年诺贝尔化学奖揭晓。荣誉给了弗朗西斯·阿诺德(Frances Arnold),乔治·史密斯(George Smith)和格雷格·保罗·温特(Gregory Paul Winter),表彰他们在酶的定向进化,以及多肽与抗体的噬菌体展示技术领域的贡献。

  阿诺德也因此成为第五位获得诺贝尔化学奖的女性。

  此次,化学奖又没有颁给纯化学领域。果然,“诺贝尔理综奖”人设永不崩!

  “去年诺贝尔化学奖就是颁给了化学和生命科学的交叉领域,很多人预测不会连续在同一领域颁奖。”北京大学化学与分子工程学院化学生物学系教授陈鹏对科技日报记者说,“结果今年依然颁给了它。这说明生命科学确实是化学研究非常重要的方向。”

  陈鹏统计,算上这一次,从2000年以来,18次化学奖有12次颁给了生命科学相关领域。

  有人感慨:敢不敢颁一次奖给纯化学领域?又有人调侃:不想当厨子的司机不是好将军。

  那么,化学奖到底奖给了什么?

  中国科学院大学博士生孟凡康在知乎上指出,三位学者有一个共同特点——利用了生物上千年一直利用的进化策略。

  进化,一个我们并不陌生的概念。

  生物的多样性揭示了进化的力量。地球上每个角落都充满了不同种类生物的混合物,而这一切离不开生命的化学工具 -——蛋白质。蛋白质经过优化、改变和更新,创造了令人难以置信的多样性。

  1993年,阿诺德进行了第一次酶的定向进化,改变了酶工程学科。

  教育部长江学者特聘教授、原清华大学化工系教授、现华南理工大学生物科学与工程学院院长林章凛教授曾于1996到1999年在阿诺德教授的实验室做博士后。他告诉科技日报记者,凭借1993年的这一成果,阿诺德顺利拿到加州理工大学的终身教授。“美国不是看文章数量,主要看对科学的原创性贡献。”

  酶定向进化的基本原理。经过几个周期的定向进化之后,一种酶可能会有几千倍的效果。1、随机突变是随机引入基因的,这种酶最终会被改变;2、这些基因被插入细菌之中,细菌将它们作为模板,随机性制造突变酶;3、这种改变的酶物质已被测试,它们在催化所需化学反应方面十分有效。

  “我一直坚信这个方向会获得诺奖。”中科院微生物所研究员吴边说,“因为酶工程是塑造当代生物学的基础性学科之一。”

  我们知道,酶具有催化能力,在实际的化工实践中,人们需要找到合适的催化剂。可以从生物体中寻找相关的酶,但这些“原生态”的酶没法拿来就用:有的酶对环境要求太苛刻,有的酶催化效率太低,有的酶极其不稳定……所以需要对它加以改造,让它变得更“好用”。

  思路是利用“进化策略”,在实验室中加速蛋白质的进化过程。研究者在分子中引入大量随机的突变,提升其进化可能性;但也不能让它随意进化,所以,还得加上人工选择,让酶的技能点加在人们需要的地方。

弗朗西斯·阿诺德(Frances Arnold)弗朗西斯·阿诺德(Frances Arnold)

  林章凛介绍,阿诺德的原创性贡献在于,坦率承认人类到目前为止还没有很好的办法理性设计生物分子如蛋白质,应该转而学习自然进化,在实验室中模拟自然界的自然进化,通过随机突变、随机杂交,再加以适当规模的筛选或者选择,来进化出新的生物分子。“这对于生物化学界来说,是一种哲学和方法学的巨大贡献。阿诺德教授也是美国少有的科学院、工程院和医学院三院院士之一。”

  阿诺德哲学和方法学上的突破可应用于多个领域。林章凛举例说,在工业上,可以进化出一些有用的酶进行绿色制造。全球最大的工业酶企业诺维信公司所开发和生产的多种工业酶,就是利用了这种方法。该方法同样可应用到生物医药领域。

  阿诺德自己说过:“进化,是世界上最伟大的工程。在这星球上,物体通过进化而来,它们美丽、复杂并实用。自然界中一些物体要通过漫长的进化而来,而我们能在几个星期内便取得自然界需要几百年进化的产物。我们还能运用进化法造出无人能设计出的东西。”

  此刻,在酶的面前,人类表现得如同上帝。

  师从阿诺德多年,在林章凛看来,她对科学的基本问题有巨大的研究兴趣。“这些对科学基本问题的研究往往会带来重大技术突破。”林章凛感慨,这对我们的教育和科研体制也有很大启发,“不能太功利。”

  另外两位男性科学家的工作,是噬菌体展示技术。

  噬菌体展示——这是乔治·史密斯开发的一种基于已知蛋白质寻找未知基因的方法。1、史密斯在噬菌体胶囊中引入一种基因,之后噬菌体DNA被插入制造噬菌体的细菌体内;2、从引入基因制造的肽可作为噬菌体表面的部分蛋白质胶囊;3、史密斯能够用一种附着在肽上的抗体清除噬菌体,作为奖励,他获得了肽的基因。

  噬菌体,顾名思义,是一种可以侵染细菌的病毒。“蛋白质定向进化的原理是通过人为手段制造出突变,然后设计一个系统筛选出想要的突变,让自然进化需要的大尺度时间在很短时间内完成。“吴边说,噬菌体展示技术其实是一种筛选技术,让蛋白的特定性能在病毒的表面表达出来,方便筛选。乔治·史密斯将实验室进化技术从细菌转移到了细菌体中,可以更为高效地对突变体进行筛选。

  使用噬菌体展示的抗体定向进化原理。该方法被用于生产新的药物。1、抗体结合位点的遗传信息被插入到噬菌体DNA之中。此后可用于创建一个具有多样性的抗体库;2、对于一个被选定特殊目标、具有强附着性的噬菌体;3、在进行另一种选择之前,随机突变将被引入,附着在目标抗体上;4、随着新一代抗体的出现,抗体会更加强烈地附着在目标蛋白质上。

  格雷格·保罗·温特则用这种方法筛选治愈疾病的抗体蛋白,产生新的抗体药。根据《知识分子》报道,第一个基于这种方法获得的抗体已经于2002年批准用于类风湿性关节炎,牛皮癣和炎症性肠疾病。如今,使用噬菌体展示产生的抗体被用来中和毒素,治疗自身免疫疾病和转移性癌症。

  陈鹏表示,噬菌体展示技术和今年获得诺贝尔生理或医学奖的免疫治疗也有很大联系,其应用前景广阔。“化学奖的颁发也让我们看到,人类理解自然并超越自然的努力。”他说。

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