如何通俗地理解 2018 年诺贝尔化学奖「蛋白质进化」？在我们生活中有什么实际应用？ 第1页

​今年的诺贝尔化学奖可以说爆了个冷门，因为这个奖的内容，可以说是纯粹的生物学奖了。

其实，近些年来，诺贝尔化学奖一直有这个趋势，就是授予给生物领域，以至于有人说，现在的生物学成了诺奖大热门了。医学或生理医学奖基本上授予了生物学，因为这是一个生命科学的时代，连化学奖也经常授予生物，比如之前的华人钱永健，也就是著名科学家钱学森的侄儿，就是因为绿色荧光蛋白而获得了化学奖，但是这个东西是生物学里用的，用来标记，尤其是在做基因操作的时候。

为什么会这样呢？其实这是学科的连续性，化学作为一门研究分子的科学，发展到现在，一定程度已经到了一个极限，这个极限就是，如果他们做纯粹的无机，达到极致，可能会涉及到物理了。而他们做有机的话，那些用途极广意义重大的有机分子，十有八九是有生物学功能的，于是就走到了生物学口去了【此处并没有说纯化学留没戏了，还有更多的空间，只是说化学现在容易结合到生物这种现象】。

我们来说说这次诺贝尔化学奖的内容，2018 年诺贝尔化学奖一半授予研究酶的「定向进化」的美国女性化学家 Frances H. Arnold，另一半授予研究噬菌体展示技术的 George P. Smith和Sir Gregory P. Winter。

前者是做的酶，说到酶，大家都熟悉，这就是生物学里的催化的物质嘛，最典型的就是大家的加酶洗衣粉，当然生物体内的酶无处不在，我们口腔里分泌唾液淀粉酶，我们的肠胃里有胃蛋白酶。至于其他的酶，不胜枚举。酶是推动生物体内发生反应的重要因素。很多时候我们需要酶发挥更大的作用，但是一般情况下，酶是蛋白质（还有核酶是核酸，尽管很少），蛋白质嘛，肯定是基因编码的。大部分情况下，基因比较稳定，所以酶也比较稳定，如果我们需要让酶发生改变，就需要让基因发生改变。常规的办法当然是随机突变了，比如用化学因素或者物理因素如辐射等诱导，这种做法就是随机。但是我们还可以学习生物的一套理论，那就是进化的办法来实现，而Frances H. Arnold就是利用这个办法来实现了酶的定向进化。

而至于后者的话，则更是专业的生物学知识了，其实这是一个生物学技术，很常规，很多做生物的人都用过，连我都没想到这个技术竟然还没获得诺奖，当然我也没想到这个技术能够获得诺奖。这个内容其实理解起来很容易，从名字就可以看出，就是展示技术，用的是噬菌体。我们很多时候比如要筛选药物的时候，需要从很多蛋白里筛选，但是蛋白一般情况下在细胞里面，不容易找到啊。怎么办？用噬菌体把蛋白抓出来（其实就是与噬菌体特定蛋白基因结合），这样就一目了然（当然这是生物学上的一目了然）。

这就是今年的诺奖内容，如果说这俩有什么共同点的话？我想，主要是在于对于生物的改造吧。

今年的诺贝尔化学奖的一半授予了 Frances H. Arnold ，奖励了她在蛋白质定向进化方面的工作，我将主要介绍与她的工作有关的一些内容。化学奖的另一半则是授予了 George P. Smith 和 Sir Gregory P. Winter，是关于噬菌体展示技术的发明，这方面的内容我了解得很少，期待有相关的专家可以来回答有关的问题。

因为是化学奖，我们先试图从比较化学的角度来切入这个问题。在实际的化工实践中，我们常常会需要找到合适的催化剂，一种很常用的方式就是从生物体里找到相关的酶，然而，生物体内的各种酶并非适合于各种工程实践，例如工程中，我们可能需要在高温环境中能够发挥功能的催化剂。这时候，我们会需要想办法用理性的方式（而不是随机的突变）来改造生物体内的这些蛋白质分子。

怎样来改造这些分子呢？因为蛋白质分子一直都在进化，所以科学家们想到，应该尝试利用进化的规律，首先在分子中引入大量随机的突变，增加分子的可进化性，再加上人工选择，让这个分子定向进化到我们想要的功能上去。

然而，真的要来做这个问题，又是相当困难的，因为：绝大多数的突变其实是有害的，不但功能可能会变得更弱，甚至可能分子都没有办法折叠；其次，均匀而随机地引入突变其实也并非易事，而就算某个突变能够满足我们的需要，但是因为它相对原分子，在催化等功能的实现上可能只有细微的差异，是否有可能让这种细微的差别明显地显示出来，以便于我们进行选择。这些都是将想法变成具有实用价值的技术之间需要解决的问题。

这次获得诺贝尔奖的 Arnold 女士想到了一些有效的方法，解决这些问题。一种方法是随机引物重组（random-priming recombination)。随机引物就像是我们在抄作业的时候从一开始就没把题目的序号抄正确，这会带来许多的突变，基于这些突变，就有可能实现后续的选择。这个方法的优势在于，它可以均匀地在各个碱基位置处引入突变，而不仅仅是在一些容易突变的位置上引入突变，同时，这个方法也可以不受 DNA 模板长度的限制，所以即使是一些长度较短的多肽也是可以用类似的方法进行改造的。

后来，Arnold 及其团队还不断改进了他们的技术，做出了许多有意思的工作。一个让人印象非常深刻的工作（http://science.sciencemag.org/content/354/6315/1048）就是：她的团队改造了一种很特殊的细胞色素c，这种细胞色素c来自于冰岛的海底温泉，能耐高温，更神奇的是，这种分子可以催化碳-硅键形成。这甚至可以让人想到碳基生物和硅基生物的融合了（划掉）。只不过，这种天然的蛋白质在催化碳-硅键形成方面效率并不高，而通过定向进化， Arnold及其团队发现，仅仅通过三个位点的突变，这种人工定向进化的细胞色素c就有可能以很高的转换数以及手性选择性实现碳-硅键的催化。

这就是进化的力量！

诺贝尔理综奖！名副其实！2018年诺贝尔化学奖授予弗朗西斯·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。

今年的化学奖看起来没有关联，其实却有一个共同的特点：他们均利用了生物上亿年一直利用的一种策略——进化。

自从生命的第一颗种子出现在大约37亿年前，地球上几乎每个缝隙都充满了不同的生物，无论是温泉，深海还是干燥的沙漠，这一切都是因为进化。正是因为进化，这个星球的生命才会变的如此美丽和动人。

生命是如何进化的呢？简单来说，就是利用基因的突变或者重组，比如对一个基因的碱基进行改变（突变）或者将不同之间的基因进行重新组合（重组），就可以产生多样化的蛋白质，而这些不断变化的基因通过自然的筛选过程就可以产生多样化的生命，让生命变得丰富多彩。

但是生命经过了40亿年的进化，才发展了到了这么多样化的生命星球。所以自然进化的过程是极其缓慢的。而且很多情况下自然产生的蛋白质并不能满足我们的需求，比如我们需要一种更加高效的酶来更快、更多、质量更好的产生所需要的物质比如糖、生物燃油等等。而今年的得主之一Frances Arnold就利用大自然的进化策略解决了这一问题。

自然的进化使很缓慢的，所以Frances Arnold就开发了进化速度更快的实验室进化策略，也叫做定向进化、试管进化，让我们可以在实验室中对蛋白质进行进化。相比如自然的进化过程，这种策略甚至可以将进化的速度提升几百万倍。那么定向进化的主要策略是什么呢？

1. 首先对蛋白质的基因序列进行随机突变（利用一些保真度很差的DNA聚合酶），产生一个突变库。
2. 产生的基因被导入大肠杆菌（复制速度快）中，这样大肠杆菌就可以按照这些突变的基因序列表达突变的酶。
3. 通过相应的策略比如荧光筛选、催化实验等筛选出符合我们要求的酶，比如催化更快、活性更高的酶。
4. 这种进化的过程是可以循环进行的，也许一轮进化无法得到我们想要的酶，那我们就可以每次选出相对最好的酶进行下一轮的进化，通过不断的进化过程，一般情况下，我们就可以筛选出更加符合我们要求的酶。

1993年，她进行了酶的第一次定向进化，这个酶的主要作用是催化一些化学反应。 从那时起，她就重新定义了开发新催化剂（酶）的方法。Frances Arnold开发的酶可以用于更环保的化学物质的制造，如药品和生产可再生燃料。

Frances Arnold创建的这套进化的策略已经在全世界生物学实验室广泛应用，后面更多的研究者也对这种进化策略不断的进行了优化，现在的实验室进化可以更快、通量更高、效果更优的筛选出符合要求的酶类。一次实验就可以筛选成百上千万的酶突变体。

在我个人的研究中也不断的利用类似的进化策略，对一些蛋白质进行了进化，结果往往很神奇，仅仅几个突变就能产生我们需要的蛋白质。这一方面说明了此种实验室进化策略的高效性。同时也说明了生命的“灵活性”，通过对生命进行实验室进化，我们可以以更快的速度进行进化的过程，去探索自然无法涉及的生命领域，为人类开拓更大的进化空间。

而另一位获奖者George Smith，其主要贡献是开发了一种叫做”噬菌体展示“的技术。这项技术中噬菌体，一种可以侵染细菌的病毒，被用来对蛋白质进行进化。

那么噬菌体展示技术是如何对蛋白质进行进化的呢？

首先George Smith将编码蛋白质的基因导入的噬菌体的基因组中，这样一来噬菌体就可以在其病毒的外壳表面插入这种蛋白质。这种展示在噬菌体表面的蛋白质的用途就很多啦，比如说用于探究蛋白质与蛋白质之间的相互关系，更重要的进行蛋白质的进化，你可以将各种各样突变的蛋白质（基因突变而来）展示在噬菌体表面，建立一个突变文库，而这种突变文库可以用于开发更好的抗体药物，而开发药物就是第三位诺贝儿化学奖得主Sir Gregory Winter的重要贡献。

Sir Gregory Winter做了什么呢？他利用噬菌体展示技术生产了各种对人类疾病非常重要的新药。第一种基于这种方法的阿达木单抗（adalimumab）于2002年获得批准，用于治疗类风湿性关节炎，牛皮癣和炎症性肠病。

现在来说，噬菌体展示技术已经用来产生各种抗体治疗疾病，比如中和毒素、治疗自身免疫性疾病或者治愈癌症。

总结来说，今年的诺贝尔化学奖（理综奖，哈哈）再一次没有颁给纯化学领域，看似不相关的两个领域实则均利用了大自然早已存在的生命策略：进化。Frances Arnold开发了实验室进化的技术，将进化的速度提升了几百万倍，让我们可以更快的获得符合要求的蛋白质突变体。而George Smith的噬菌体展示技术则将实验室进化技术从细菌转移到了噬菌体中，可以更加高效的对突变体进行筛选，也为Sir Gregory Winter的工作提供了技术基础，而Sir Gregory Winter则将进化与噬菌体展示技术结合起来，用于筛选治愈疾病的抗体蛋白，造福了全人类。

最后我想说进化是伟大的！因为自然选择了进化，让整个地球变成了宇宙一颗闪耀的生命星球。我也无时无刻不惊叹于自然的伟大，自然为我们提供了太多的科学研究思路，我们一直在“Learn From Nature”，向自然学习，今天颁发的诺贝尔奖就是一个例子。同时我们人类也是伟大的，我们不仅向自然学习，同时我们在一定程度上也超越了自然（Beyond Nature），比如我们利用定向进化创造了自然界从未存在的生命化学物质。

向自然、生命与人类致敬！

噬菌体展示可以研究蛋白互作，特别是抗体和药靶蛋白互作，今年生理学奖PD1/PD-L1的单抗药有一个是用噬菌体展示筛到的。来讲讲它为什么能获化学奖。

生物体中，分子间相互作用很重要。蛋白之间相互促进抑制，抗体和靶标识别，都得先发生互作。

怎么找靶标的互作抗体，找蛋白的互作蛋白呢？

目前方法有三个：酵母双杂交，噬菌体展示，免疫共沉淀。分别说说具体原理。

酵母双杂交，Yeast Two Hybrid：

要找蛋白A（bait，鱼饵）的互作蛋白，先把蛋白A转进酵母，愿者上钩。

另一边，不知道互作蛋白是什么，准备一个包含各种蛋白的库，转进另一些酵母，每个酵母表达不一样的蛋白。这些蛋白是池塘（pool），里面有我们要的“鱼”（prey）。

把含鱼饵蛋白A的酵母，和含一整个蛋白库的酵母杂交生育，它们的后代包含“鱼饵”和“鱼”两种蛋白。鱼蛋白绑定DNA结合元件，鱼饵蛋白绑定转录激活元件。如果“鱼饵”能结合“鱼”，激活元件被拉到DNA上，激活下游基因表达，酵母变蓝色（如图）。

这样，蛋白A找到了互作蛋白，就好像“鱼饵”找到对应的“鱼”。

噬菌体展示，Phage Display：

同样是找鱼饵蛋白A的互作蛋白，噬菌体展示原理和酵母双杂很像，只不过从酵母改成噬菌体。

把鱼饵蛋白A体外表达出来，交联到平板或珠子上。

接着把一整个“池塘”的基因构建到噬菌体的衣壳蛋白DNA上，转到大肠杆菌里，生产噬菌体。每个噬菌体表面随机带有一个蛋白，“池塘”就准备好了。

接着往平板的鱼饵蛋白上倒噬菌体，鱼饵蛋白和鱼蛋白结合，所对应的噬菌体留在板子上。如此结合了洗，结合了洗，过个好几遍，结合力最强的鱼蛋白和噬菌体留到最后。

通过对板子上的噬菌体测序，就知道鱼饵蛋白A结合了哪条“鱼”。

免疫共沉淀，Co-Immunoprecipitation：

这个方法和前面两个不太一样，细胞裂解后，直接把鱼饵蛋白A用抗体抓下来，上面带有鱼饵蛋白的结合蛋白，用质谱鉴定这些蛋白是什么。

抗体抓鱼饵蛋白，是免疫；把“鱼”也抓下来，就是共沉淀，所以这方法叫免疫共沉淀。

噬菌体展示和抗体药：

光从研究蛋白质互作角度，噬菌体展示无非一种技术，为什么这次能拿奖？

因为目前它对筛抗体药非常重要。

癌症药物治疗，往往会封闭一些药靶蛋白，以此堵住整个癌症恶化过程。以前大家喜欢用小分子化合物封闭药靶，但筛药过程耗时耗力，不如用抗体结合封闭药靶。

怎么找能结合药靶的抗体？

这就用到噬菌体展示了。

把抗体可变区放到噬菌体衣壳蛋白上，药靶蛋白放平板上，噬菌体结合洗脱几遍，就能筛到和药靶蛋白结合的抗体，比之前的小分子化合物筛选更方便。

今年诺贝尔生理学奖PD-1/PD-L1的单抗药有三个，其中罗氏/基因泰克的Tecentriq就是用噬菌体展示筛到的。

另两个药 默沙东-先灵葆雅的Keytruda，百时美施贵宝的Opdivo，是用杂交瘤产人源化单抗做出来的。

杂交瘤在1984年拿了诺贝尔奖。这次轮到噬菌体展示，也算是对抗体药两大技术的重要肯定。

为什么蛋白定向进化和噬菌体展示同时获奖？

目前噬菌体展示筛抗体药的后期，会嫌天然抗体结合力不够，对候选抗体再做随机诱变，用噬菌体展示继续筛。一直筛到抗体结合特异性和结合能力满意为止。

噬菌体展示筛抗体，也会用到蛋白定向进化。这算是两者相互间的一点联系吧。