加速进化创造有用的蛋白质赢得了诺贝尔化学奖

将自然进化快速推进到实验室中构建新蛋白质的技术，为今年的诺贝尔化学奖赢得了三位科学家。

加州理工学院(Caltech)的弗朗西斯•阿诺德(Frances Arnold)因其为生物燃料、环保洗涤剂和其他产品创造定制酶的方法而获奖。自1901年诺贝尔化学奖首次颁发以来，她成为第五位获得诺贝尔化学奖的女性。剑桥大学的格雷戈里·温特和哥伦比亚密苏里大学的乔治·史密斯因开发和使用了一种叫做噬菌体展示的技术而获得认可。这种分子制造过程可以产生新药的生物分子。

三人将分享900万瑞典克朗(约100万美元)的奖金，阿诺德获得一半，温特和史密斯平分另一半。

“哇,当之无愧!伦敦大学学院的生化工程师Paul Dalby说。“蛋白质工程作为一个领域，是完全建立在他们的工作之上的。”

上世纪90年代，阿诺德想要制造一种酶，这种酶可以在有机液体中而不是水中分解一种叫酪蛋白的牛奶蛋白。她没有试图手工雕刻那种酶subtilisin E的化学构件，而是选择了一种更不干涉的方法。

西雅图弗雷德·哈钦森癌症研究中心的微生物学家杰西·布卢姆说，阿诺德的洞察力“是认识到世界上最神奇的分子不是由化学家创造的，而是由生物界创造的”。“生物学并没有使用我们在有机化学课上学到的方法来制造这些化学物质，相反，它是通过进化产生的。”

阿诺德首先复制了许多原酶，每一个都有不同的基因突变。然后她将这些酶的基因插入到细菌中。这些细菌充当活的工厂，大量生产每一种酶变体的副本。阿诺德挑选出了在有机溶剂中分解酪蛋白效果最好的版本，并从酶开始重复突变过程。

经过几轮基因突变，只选择最好的酶进入下一轮，Arnold得到了一种非常有效的定制酶。这种酶裁剪技术，被称为定向进化，允许科学家像自然界一样微调蛋白质，但要快几千倍。研究人员已经利用定向进化来制造酶，这种酶可以启动化学反应，从而产生新药和环保生物燃料。阿诺德的实验室还利用定向进化来制造酶，帮助形成自然界中没有的化学连接，比如碳原子和硅原子之间的键

诺贝尔奖的另一半荣誉是研究一种叫做噬菌体展示的分子制造过程。这一过程的主要工具是一种被称为噬菌体的病毒——一种简单的微生物，由蛋白质包裹的遗传物质制成。

在20世纪80年代，史密斯有了一个想法，将产生各种特定蛋白质的基因插入噬菌体的遗传密码中，创造出表面携带这些蛋白质的噬菌体。史密斯最初的动机是确定哪些基因产生了哪些蛋白质。史密斯推测，通过在一种噬菌体汤中寻找一种已知与某种蛋白质结合的分子，研究人员只能找出携带这种特定蛋白质的噬菌体，并发现是哪个基因使噬菌体产生这种蛋白质。

1985年，史密斯操纵噬菌体DNA，创造出一种携带蛋白质的噬菌体，这种蛋白质叫做肽，它的表面不会自然出现。然后他用一种肽结合分子从人群中挑出这种噬菌体。史密斯干涉噬菌体DNA的方法是噬菌体展示的基础。自从他的开创性工作产生了一种携带肽的噬菌体以来，其他研究人员已经采用了他的方法，制造出含有其他生物分子的噬菌体，比如抗体。

我们的身体自然会产生成千上万种不同的抗体，这些抗体的设计目的是抓住病毒和细菌——本质上是对这些入侵者进行打击，让免疫系统摧毁它们。但长期以来，研究人员一直想在实验室中制造抗体，作为抑制各种疾病的药物。1990年，温特使用噬菌体展示方法制造了一种噬菌体，这种噬菌体带有部分抗体，抗体可以与phOx分子结合。温特随后用phOx从400万个其他噬菌体中收集抗体来收集噬菌体。

为了确保他使用噬菌体培育出尽可能好的抗体，温特随后采用了与阿诺德相似的定向进化方法。温特首先创造了一组噬菌体，这些噬菌体具有产生数十亿种不同抗体的基因。从这一组中，他可以使用像phOx这样的目标分子，只收集与之结合最好的携带抗体的噬菌体。在这些噬菌体中，温特制造出了新一代携带抗体的病毒，并再次使用目标分子挑选出最好的。

在20世纪90年代，温特和他的同事利用这种适者生存的噬菌体技术生产出抗体adalimumab，创造出一种药物，可以中和一种在自身免疫性疾病患者身上引发炎症的化学物质。这种名为Humira的药物在2002年被用于治疗类风湿性关节炎，现在也被用于治疗牛皮癣和炎症性肠病