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深度解读2018诺贝尔化学奖:驯服进化的力量

发布时间:2018-10-04 02:49内容来源:www.naplesgroup.net 点击:

2018年诺贝尔化学奖授予在进化控制做出贡献的科学家,未来他们将在实验室进一步深入研究。

2018年诺贝尔化学奖授予在进化控制做出贡献的科学家,未来他们将在实验室进一步深入研究。

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  新浪科技讯 北京时间10月3日消息,据国外媒体报道,进化的力量在生物的多样性中得到了充分展现。2018诺贝尔化学奖颁发给弗朗西丝·阿诺德、乔治·史密斯和格雷戈里·温特爵士,奖励他们研发出控制进化过程的方法、并利用这些方法造福人类。通过定向进化制造的酶可用于生产各类产品,包括生物燃料、药品等等。利用噬菌体展示技术生产的抗体能够对抗自体免疫疾病,在有些情况下甚至能治愈转移性癌症。

  在我们生活的地球上,有一支名为“进化”的强大力量。自37亿年前地球上出现首批生命以来,几乎每寸地表中都填满了不断对环境做出适应的生命体:比如生长在贫瘠山脊上的地衣,在热泉中顽强生存的藻类,干燥沙漠中浑身披甲的爬行动物,以及在黑暗的深海中闪闪发光的水母。

  我们在生物课上都学过这些生物,但现在让我们转变一下视角,从化学家的角度看待它们。地球上的生物之所以能存活下去,是因为进化帮它们解决了无数复杂的化学问题。所有生物都能从周边环境中提取可用的物质和能量,用它们合成自己所需的独特化学成分。鱼的血液中含有防冻蛋白质,因此它们在极地冰洋中也能畅游无阻;贝类能分泌一种水下分子胶,因此可以牢牢粘附在岩石上。

  这些化学反应的绝妙之处在于,它们已经被编写进了我们的基因中,能够代代相传、不断演变。基因如果发生了一点儿意外变化,就会改变这种化学反应。有时这会削弱生物体的生存能力,有时则会让该生物变得更加强大。随着新的化学反应逐渐出现,地球上的生命也变得愈加复杂。

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。

  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。

  受益于这些进化过程,有三个人竟然复杂到自己掌握了控制进化过程的能力。2018年诺贝尔化学奖颁给了弗朗西丝·阿诺德、乔治·史密斯和格雷戈里·温特爵士三人,因为他们使化学界发生了革命性变化,并通过定向进化技术促进了新药的研发。首先来介绍一下酶工程领域的明星:弗朗西丝·阿诺德。

  酶——生命最强大的化学工具

  早在1979年、弗朗西丝·阿诺德还是一名刚毕业的机械与航空航天工程师时,她就已经有了一套明确的规划,希望通过新技术的研发造福人类。美国当时决定,到2000年前,20%的能源都要由可再生能源提供。于是阿诺德也参与了太阳能的研究。但到了1981年总统大选之后,该行业的前景预期发生了巨变,因此阿诺德将研究重点转向了新兴的 DNA 技术。她对此表示:“要想以全新的方式制造我们日常所需的材料与化学物质,就需要重新改写生命编码。”

  她并未打算采用传统化学方法生产药物、塑料和其它化学物质,因为这些方法往往要用到强效溶剂、重金属和腐蚀性酸。相反,她决定利用生命的化学工具——酶。酶能够催化生物体内的化学反应。假如阿诺德能掌握制造新酶的方法,就能根本性地改变化学界。

  人类思维的局限性

  弗朗西丝·阿诺德一开始像其他很多80年代末的科学家一样,试图通过重新搭建酶的结构来赋予它们新的性质。但酶的分子结构极为复杂,由20种不同的氨基酸分子构成,且联结方式可能多达无限种。单个酶中可能包含数千个氨基酸分子,它们相互联结成一条长链,再折叠成空间三维结构。催化特定化学反应所需的环境就是在这些结构中产生的。

  即使利用目前的化学知识和计算机,也很难通过逻辑破解和重建这些极为复杂的分子结构。因此在90年代初,弗朗西丝·阿诺德面对大自然的强大力量,选择了放弃。用她的话来说,这种方法“显得有些不自量力”。她决定在大自然优化化学反应的方法——进化中寻求灵感。

  阿诺德开始研究进化

  她花了几年时间,试图改变一种名叫“枯草杆菌蛋白酶”的酶,让它能够在有机溶剂“亚甲基甲硫胺(DMF)” 、而非水基溶剂中催化化学反应。她先让这种酶的遗传编码发生随机变异,再把这些变异基因引入到细菌中,这样就培育出了数千种枯草杆菌蛋白酶的变种。

  接下来的挑战是,从这么多变种中找出在有机溶剂中催化效果最好的一种。在进化中,我们会说适者生存;而在定向进化中,我们把这一阶段叫做“选择”。

  弗朗西丝·阿诺德利用了枯草杆菌蛋白酶能够分解酪蛋白的性质。她先是选出了在含有35%亚甲基甲硫胺的溶液中分解酪蛋白效果最好的枯草杆菌蛋白酶变种,然后再让这种蛋白酶基因发生一轮随机变异,从而培育出了在亚甲基甲硫胺溶液中效果更好的新变种。

  在第三代枯草杆菌蛋白酶中,她找到了一种效果胜过原始蛋白酶256倍的变种。该变种中含有十多种不同的基因变异,而这些变异的效果都是无法提前预料的。

  弗朗西丝·阿诺德通过这项研究展示了利用概率和定向进化培育新酶的效果。这是人类朝掌握进化迈出的第一步、也是最具决定性的一步。

  下一步研究由2013年逝世的荷兰研究者和企业家威勒姆·斯坦莫(Willem P。 C。 Stemmer)做出。他为酶的定向进化引入了一个新维度:在试管中展开基因配对。

  配对——为了更稳定的进化

  自然进化的前提之一是,来自不同生物体的基因要通过交配或传粉相互混合。这样一来,有益于生物的性质就可以相互结合,使生物更加强大。与此同时,对生物无益的基因变异则会在代代相传的过程中逐渐消失。

  威勒姆·斯坦莫利用了 DNA 改组技术,相当于在试管中进行基因配对。1994年,他证明了可以将同一基因的不同版本切成若干小片段,然后在 DNA 技术工具的帮助下,将这些小片段整合成一段完整的基因。

  经过几轮 DNA 改组之后,威勒姆·斯坦莫已经使酶发生了巨大变化,大大增强了酶的效果。这说明基因重组技术可以进一步提高酶进化的效率。

  新型酶可生产可持续的生物燃料

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