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涨知识|化学诺奖:驾驭进化的力量,酶和结合蛋白的定向进化

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发布时间:2018-10-04 16:46:00

 自从地球上的生命出现以来,酶的自然进化就一直存在。为了提高机体对环境的适应能力,基因发生变异,蛋白质逐渐进化。几千年来,人们通过选择具有所需特性的有机体来繁殖动物、培植植物。在不知不觉的努力中,一代又一代的人们进化并优化了酶和结合蛋白质。

 

2018年的诺贝尔化学奖获得者受到进化力量的启发,并利用相同的原理——基因改变和选择——来开发解决人类化学问题的蛋白质。

 

北京时间2018年10月3日,瑞典皇家科学院将2018年度诺贝尔化学奖的一半奖金授予美国科学家弗朗西斯·阿诺德(Frances H. Arnold)以表彰她在“酶的定向进化”领域的贡献,并将另一半奖金授予美国科学家乔治·史密斯(George P. Smith)和英国科学家乔治·保罗·温特(Gregory P. Winter),表彰他们在“多肽与抗体的噬菌体展示技术”领域的贡献。

 

酶和结合蛋白的定向进化是一种建立在分子层次上的人工过程,它把自然界的进化过程转移到了实验室并加速了整个进程。定向进化是一个迭代的过程,它涉及到起始状态蛋白质的鉴定,其基因的多样化,表达和筛选,再多样化,再筛选等,直到酶的活性、结合的亲和力或特异性达到令人满意的性能水平。目前,酶和结合蛋白的定向进化已经成为学术研究以及化学和制药工业中广泛使用的方法。

 

这其中,酶的定向进化可以使酶适应新的反应条件,优化它们的催化活性,并使它们催化新的化学反应。这一类进化酶是一种有效且更环保的替代品,它们可以代替金属和有机催化剂在化学和生物技术工业中的使用。

 

结合蛋白的定向进化是一种对给定目标中具有高亲和力和选择性的变异进行识别的有效方法,它还可以定位具有高亲和力和高选择性的蛋白质相互作用。人类抗体的定向进化可以产生有效的治疗方法。

 

酶的定向进化

 

1984年,Manfred Eigen发表了一篇理论论文,概述了酶定向进化的一种可能的工作流程。

 

十余年后,第一项实验研究出现了。弗朗西斯·阿诺德在实验室环境中成功地实现枯草杆菌蛋白酶E(Subtilisin E)的定向进化并且达到了提高酶的性能和多功能性的效果。在这篇具有开创性的论文中,阿诺德已经掌握了酶定向进化的整个工作流程。此后,这个流程在阿诺德实验室和其他实验室中经过了多年的发展和优化。

 

枯草杆菌蛋白酶E(Subtilisin E)在极性有机溶剂中的定向进化是酶定向进化领域的一个基准成果,这项工作也成为了后续定向进化技术发展的起点。

 

酶的定向进化的工作流程。
 
阿诺德研发的酶被用于制造更环保的化学物质,如药品和可再生燃料。目前,酶的定向进化已成为开发具有高特异性、有限副反应和不同反应条件耐受性的生物催化剂的高效方案。定向进化研究告诉我们,酶确实可以被调节以催化新的反应。我们可能离酶反应的极限还很远,还有进一步发现的余地。

 

多肽与抗体的噬菌体展示

 

表型(高亲和力和高选择性结合蛋白)和基因型(DNA序列)之间的物理耦合促进了结合蛋白的定向进化,而这一过程是由噬菌体展示技术提供的。

 

乔治·史密斯于1985年开发的噬菌体展示技术是一项重大的技术突破。这种技术使用噬菌体将蛋白质与其遗传信息联系起来。在该技术中,特定蛋白质的DNA被包装在噬菌体内,使得噬菌体在其表面上呈现蛋白质。

 

从噬菌体展示文库中筛选高亲和力结合蛋白。
 
史密斯还提出多肽的噬菌体展示可能有助于疫苗的开发。这一观点引发了相应的研究。研究人员把来自恶性疟原虫的多肽展示在了丝状噬菌体的表面上,并且发现它可以作为有效抗原。

 

1990年,格雷格·保罗·温特报告了一个折叠且功能齐全的抗体片段在丝状噬菌体上的展示。这一成就被视为药物革命的起点。

 

温特利用噬菌体展示进行抗体的定向进化以研制新药。使用这种方法研发的第一个药物阿达莫单抗(adalimumab)于2002年获批,它可以用于治疗类风湿性关节炎、银屑病和炎症性肠病。

 

如今,噬菌体展示已经被用来生成可以中和毒素、抵消自身免疫性疾病和治疗转移性癌症的抗体。该技术现在能够绕过免疫,产生全人源单克隆抗体。此外,噬菌体展示可在某种程度上使抗体能够识别具有毒性或者危害性的抗原。

 

生命的多样性揭示了进化的力量。瑞典皇家科学院评价道:2018年诺贝尔化学奖获得者们“控制了”进化,并以此造福人类。通过定向进化产生的酶被用来制造从生物燃料到药品在内的许多产物。而用噬菌体展示方法进化出的抗体可以对抗自身免疫性疾病,甚至在某些情况下可以治愈转移性癌症。

 

瑞典皇家科学院还称,我们正处在定向进化革命的早期,这场革命正在并将要以许多不同的方式给人类带来最大的利益。

清莱新闻(qunden.cn)

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