進化的力量

張田勘

2018年諾貝爾化學獎授予了美國科學家弗朗西斯·阿諾德、喬治·史密斯和英國科學家格雷戈里·溫特，獲獎理由是：在掌控進化的方式及利用其為人類帶來最大福祉方面做出重要貢獻。通過定向進化開發出來的酶如今被用于生產生物燃料、藥物和其他物質。同時，利用一種被稱為噬菌體展示技術的方法進化出來的抗體，能夠對抗自體免疫性疾病并在某些情形下治療轉移性腫瘤。

阿諾德的貢獻：讓酶定向進化

進化，更準確地說是演化，在生物學上一般都認為是由隨機和偶然的因素促發和推動的。但是，阿諾德的研究表明，進化可以在人類的有意引導下發生。實際上，這樣的進化早就體現在人類千萬年來對作物（如水稻、小麥和玉米）和動物（如豬、牛、羊）等的馴化上。

阿諾德的引導進化是體現在對酶的改造上。1993年，阿諾德首次進行了酶的定向進化。酶的本質是蛋白質，但是它能催化化學反應，以此為契機，阿諾德改進了新型催化劑的常規方法，并把酶的用途擴大到生產更為綠色環保的化學物質，如藥物和可再生燃料等。

20世紀末，阿諾德對枯草桿菌蛋白酶產生了興趣，嘗試把它的催化條件從正常的水溶液轉換到特殊的有機溶劑二甲基甲酰胺（DMF）中，希望獲得更大的催化活性和更快的催化速度。酶是極其復雜的分子，由20種不同的氨基酸構成。這些氨基酸可以被無限地結合起來，單個酶可包含上千個氨基酸。它們連接成長鏈，長鏈又能折疊形成特定的三維結構。阿諾德根據進化論中的“適者生存”理論，在定向進化中進行選擇。

基于枯草桿菌蛋白酶分解牛奶蛋白和酪蛋白的事實，阿諾德選擇一種枯草桿菌蛋白酶變體，可以在含有35%二甲基甲酰胺的溶液中最有效地分解酪蛋白。隨后，對枯草桿菌蛋白酶的基因進行分離編碼，然后使用不同的技術讓基因變異，并將新的變異基因片段重新插入細菌中。細菌會產生數千種不同的枯草桿菌蛋白酶變體，阿諾德則根據需要對其進行篩選，選擇那些活性更高，或者是在高溫以及存在某些特定化學物質的條件下才發揮作用的枯草桿菌蛋白酶變體。

阿諾德認為，只要經過循環往復的基因選擇，就可能找到符合預期活性的酶。幸運的是，阿諾德在第三代枯草桿菌蛋白酶中就找到一種比天然酶活性高256倍的枯草桿菌蛋白突變酶。這種酶的變體結合了10種不同的突變，其益處至今人們還難以預知。至此，阿諾德按照“突變-篩選-再突變-再篩選”的方式實現了目標（酶）的進化。有了這樣的酶之后，阿諾德的實驗室現在能利用新型的酶催化和生產甚至在自然界中不存在的化學物質，并且產生全新的材料。

阿諾德的研究團隊已經研發出把單糖轉變成異丁醇的酶。異丁醇是一種富含能量的物質，可被用于生產生物燃料和更加環保的塑料。阿諾德團隊還把眼光投向研發高活性酶（纖維素分解和生物合成酶）和微生物，可以把再生生物質轉化為燃料和化學物質。當然，這樣的酶也可以催化和生產新的藥物，如抗癌藥物。

史密斯的貢獻：讓蛋白質定向進化

史密斯的主要貢獻在于，他使得蛋白質能定向進化。蛋白質定向進化的基礎在于噬菌體展示技術。噬菌體展示技術是一種將外源肽或蛋白質與特定噬菌體衣殼蛋白相融合，展示于噬菌體表面來構建蛋白質或多肽庫，并從中篩選目標蛋白、多肽或抗體的基因工程技術。

具體的做法是，讓噬菌體感染細菌和病毒后與蛋白質連接在一起，通過這一過程可以研究蛋白質-蛋白質、蛋白質-肽、蛋白質-DNA的交互作用，由此獲得和提供編碼它們的基因信息。

噬菌體是一類病毒的總稱，它們能感染細菌、真菌、藻類、放線菌或螺旋體等微生物，由于能引起被感染的宿主菌的裂解，所以被稱為噬菌體。噬菌體相當微小，也不具有完整的細胞結構，只含有單一核酸，是一種“捕食”細菌的生物。

噬菌體最大的特點是專門以細菌為宿主，在細菌細胞中利用細菌的核糖體、蛋白質合成時所需的各種因子、各種氨基酸和能量產生系統來實現其自身的生長和增殖。一旦離開了宿主細胞，噬菌體既不能生長，也不能復制。同時，噬菌體也只是一團由蛋白質外殼包裹的遺傳物質，大部分噬菌體還長有“尾巴”，用來將遺傳物質注入宿主細菌體內。

史密斯創造的噬菌體展示技術的基本原理是將編碼多肽的外源DNA片段（基因）與噬菌體表面蛋白的編碼基因融合，再以融合蛋白的形式呈現在噬菌體的表面。在噬菌體表面展示的多肽或蛋白同樣可以保持相對的空間結構和生物活性。

由于導入了各種各樣的外源基因，這樣的一些噬菌體就形成了一個能展現多樣性外源肽的展示庫。史密斯等人選擇用某一蛋白去篩查一個噬菌體展示庫，就使得這一蛋白與噬菌體展示庫中的全部噬菌體同時進行反應，以測試蛋白質與噬菌體的結合能力。由于選用的蛋白會選擇性地與暴露于特定噬菌體表面的某個外源肽相結合，研究人員能分離出展示庫里的某個特定的噬菌體，以展示其外部的蛋白質，同時也展示蛋白質內部的基因，從而證實基因型和表現型之間的聯系。

通過這種方式，大量蛋白質數據庫可以在一個叫作“體外選擇”的過程中進行篩選和放大，從而獲得所需要的蛋白質并進行擴增，最終實現蛋白質的定向進化。這個過程也類似于自然選擇過程。

史密斯是第一位在《科學》雜志上發表利用噬菌體展示技術進行短肽分子展示的科學家。噬菌體展示技術具有三大優勢，一是因淘汰和選擇的高效率使得噬菌體在極低的存在水平下，能挑選到高親和力噬菌體；二是所挑選的噬菌體可在微量存在的情況下，通過感染細菌得到富集；三是展示的多肽或蛋白質與其包含在噬菌體內部的基因密碼的連接，使得結合肽或蛋白質的序列分析既快速又簡便。因此，這一技術能在短短的兩周內由表現型篩選出肽或蛋白的編碼基因，可以讓人幾乎任意地挑選（設計）所需要的短肽和蛋白。

這一技術經過改進和向實用型發展，30多年來已產生了很多有用的短肽和抗體，極大地造福了人類。

溫特的貢獻：讓抗體定向進化

溫特的貢獻是讓抗體定向進化，但同樣是通過噬菌體得以實現。他設計了一種特殊的抗體，能與特定的噬菌體結合，然后用一種“分子魚鉤”將表面上結合有抗體的噬菌體從其他數以百萬計的噬菌體中分離出來。這樣就可以將噬菌體展示技術應用于抗體的定向進化。

抗體是一種由漿細胞（效應B細胞）分泌，被免疫系統用來鑒別與中和外來物質如細菌、病毒等的大型Y形（樹杈狀）蛋白質。抗體能識別特定外來物的某一特征，抗體的樹杈狀結構的兩個分叉末端是與外來物進行結合的位點，溫特將抗體這一部分的對應基因信息與噬菌體的一個莢膜蛋白對應基因信息進行結合。

1990年，溫特在實驗中做到了讓抗體在噬菌體表面結合，隨后，使用phox作為一種“分子魚鉤”，將表面結合有抗體的噬菌體從其他數以百萬計的噬菌體中“釣”了出來。然后他建立起一個噬菌體數據庫，記錄噬菌體表面抗體的數十億種變化。基于這一數據庫，可以篩選出能與不同目標蛋白質相結合的抗體。

抗體如果能與特殊蛋白結合，就可以促進或阻止某一蛋白發揮作用，從而治療疾病（抗體治療）和生產生物產品。1994年，溫特使用這種方法研發出能夠與癌細胞相結合的抗體，具有相當高的精準性。后來，溫特和同事們創立了一家基于抗體噬菌體展示技術的公司。這家公司研發出一種新藥—修美樂（Humira），即阿達木單抗（Adalimumab）。這種單抗能夠中和一種蛋白質（腫瘤壞死因子α，TNF-α），是一種全人源抗腫瘤壞死因子單克隆抗體。TNF-α是引發多種自身免疫疾病的誘因。2002年，修美樂被美國食品藥品監督管理局（FDA）批準用于治療類風濕性關節炎、銀屑病（牛皮癬）和炎癥性腸炎疾病，這幾種病都是自身免疫疾病。目前修美樂在全球獲批治療的病癥多達14個，在超過96個國家或地區銷售。而且，修美樂連續6年成為全球銷售最好的藥物，僅2017年就貢獻了184.27億美元，說明人們對這一藥物治療疾病的需求量極大。這也意味著，基于噬菌體展示技術而篩選的抗體藥物具有廣闊的市場。在成功研發阿達木單抗之后，研究人員還在定向篩選能夠抗癌、抗失智（癡呆）和抗狼瘡的抗體藥物。

通過酶、蛋白質和抗體的定向進化，人們不僅能弄清許多生命現象和本質，還能有目的地研發出治療多種疾病的有效藥物，并且開發出一些為人們所需要的生物產品。生化領域的定向進化獲得今年的諾貝爾化學獎也顯示未來這一領域具有廣闊的發展前景。