用进化的力量解决化学问题 美英科学家分享2018年诺贝尔化学奖

据新华社斯德哥尔摩10月3日电瑞典皇家科学院3日宣布,将2018年诺贝尔化学奖授予美国科学家弗朗西丝·阿诺德和乔治·史密斯以及英国科学家格雷戈里·温特,以表彰他们在酶的定向演化以及用于多肽和抗体的噬菌体展示技术方面取得的成果。

据诺贝尔化学奖评选委员会介绍,今年获奖的研究成果主要涉及对蛋白质演化的控制,获奖者利用了遗传变异和选择,开发出人类所需要的蛋白质。

阿诺德在1990年左右就提出了新理论,认为人类因为对分子体系认识不够,无法合理设计分子,所以要在试管中通过随机突变、随机杂交来模拟自然界的进化,从而设计包括酶在内的生物分子以及生物体。

酶是由活细胞产生的、对其底物具有高度特异性和高度催化效能的蛋白质或ＲＮＡ,因此是一类重要的生物催化剂。1993年阿诺德完成了首个酶的定向演化实验,也就是首次实现了她的理论,此后她不断完善这个方法,现在已能用于开发新的催化剂。基于阿诺德的研究成果,业界可以通过更环保的方式来制造化学物质,比如生产药物和可再生能源等。

史密斯在1985年研发出一种名为噬菌体展示的新技术,主要原理就是将噬菌体这种能感染细菌的病毒用于新蛋白质的演化。随后,温特将这一技术用于抗体的定向演化,以制造出新药物。基于这种新技术开发的第一批药已在2002年获得相关批准,可用于类风湿性关节炎等疾病的治疗。

新闻分析

美国科学家弗朗西丝·阿诺德、乔治·史密斯以及英国科学家格雷戈里·温特正是基于相同理念,在实验室模拟自然进化,通过不同途径释放进化的力量,获得了瞩目成果,他们也因此被授予2018年诺贝尔化学奖。

在全球发展清洁能源的过程中,成本与高效、清洁一直存在矛盾,传统的方法已很难适应发展,需要研究人员找到新方法来实现这一目标。阿诺德并没有把希望寄托在传统化学方法上,而是将目光投向了酶。酶是由活细胞产生的、对其底物具有高度特异性和高度催化效能的蛋白质或ＲＮＡ,是一类重要的生物催化剂。

中国教育部长江学者特聘教授、华南理工大学生物科学与工程学院院长林章凛曾在阿诺德的实验室担任博士后。他表示,阿诺德的巨大原创性贡献在于,改变原先人类希望理性设计生物分子的想法,提出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。”林章凛说。

阿诺德在1993年完成了首个酶的定向演化实验,首次实现了她的理论。经过多年发展,阿诺德的实验室生成的酶已经能够催化那些自然界中都不存在的化学反应,从而制造出全新材料。她的这些“量身定制”酶如今已是包括药物在内许多材料制作的重要工具,它在生产过程中能避免产生许多污染环境的副产物。

与阿诺德分享今年诺贝尔化学奖的史密斯则研发了一种名为噬菌体展示的新技术。他利用了一种能感染细菌的病毒噬菌体,将外源蛋白或多肽的DＮＡ序列插入到噬菌体外壳蛋白结构基因的适当位置,使外源基因随外壳蛋白的表达而表达,同时,外源蛋白随噬菌体的重新组装而展示到噬菌体表面。这种技术可应用于研究与蛋白质相互作用的配体,以及进行蛋白质演化等。温特将史密斯的这项技术用于抗体的定向演化,以便提升它们在疾病治疗方面的一些特性。基于这种新技术开发的药物已在2002年获得相关批准,可用于类风湿性关节炎等疾病的治疗。(据新华社电)

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