2018年諾貝爾獎：如何讓進化為人所用？
來自專欄蝦說科學
12 人贊了文章
本文首發於微信公眾號 蝦說科學 （Prawn_Talk）。有部分改動。歡迎分享轉發，如需轉載請聯繫授權。
2018年，「蛋白質的定向進化」終於實至名歸地登上了諾貝爾獎的講台。弗朗西斯·阿諾德(Frances Arnold)因為「酶的定向進化(direct evolution of enzymes)」而獲得一半的獎金，剩餘的一般獎金則被因「噬菌體展示(the phage display of peptides and antibody)」技術而獲獎的格雷格·溫特(Greg Winter)和喬治·史密斯(George Smith)平分。也許連達爾文自己也沒想到，在他發表《物種起源》後的第159年，從他的進化論中衍生出的方法登上了當今自然科學領域最重要獎項的領獎台。進化是如何進行的？分子的進化要如何完成？「定向進化」又為我們帶來了什麼？讓我們來深入了解這個技術。
從生物的進化到分子的進化
在達爾文的自然選擇理論中，更適應環境的個體更容易存活，也就更容易將自己的基因傳給下一代。早在達爾文發表《物種起源》之前，人們就已經在不知不覺的利用自然選擇這一原理：在馬、狗等動物中，人們從親代中選出具有自己喜歡特徵的個體，讓它們繁殖，再從產下的後代中選擇具有更好特徵的個體讓他們繁殖……如此往複循環，即使飼養者對生物學或者遺傳學一無所知，他們可以讓被飼養的動物得到自己喜歡的特徵。
蛋白質是生命科學中及其重要的一部分，無論是用於化學合成的高效催化劑——酶，還是醫學和生物學中大顯神通的抗體，都屬於蛋白質。動物可以通過人工選育的方法得到更好的個體，同樣的，蛋白質也可以。正如動物的選育一樣，即使我們不知道一個蛋白質的結構和它的作用原理，我們也可以讓它變得更穩定、更高效，或者對特定目標具有更強的親和性。科學家可以在諸多蛋白質中選擇性能能優異的個體，再讓那些蛋白質「繁殖」，再「選育」，最終得到具有我們想要的特徵的蛋白質。這就是「蛋白質進化」的基本原理。
實驗室里的進化
理論雖是如此，但是很顯然，蛋白質自己並不能繁殖，那麼要如何讓上一代最優秀的蛋白質產生出既和自己類似，又有一些不同的「後代」呢？這裡就要說到這次諾獎的模式生物——大腸桿菌和噬菌體。
大腸桿菌是實驗室常用的細菌，噬菌體是感染細菌的病毒。它們的共同特點是：長得快。狗的選育需要幾年才有一代，但是細菌和噬菌體每天就能產生很多代。
弗朗西斯·阿諾德利用細菌來獲得具有更高性能的酶。這個過程一共分四步：首先，對自然界中已經存在的酶的基因中引入突變。接著將基因插入細菌中，讓細菌產生對應的酶。之後再對新產生的酶進行挑選，找到得到改良的，丟棄變差的，這一步和自然界中的「優勝劣汰」相似。最後再將「勝利者」的基因進行下一步的突變。如此循環，最終得到想要的酶。
分子的定向進化吸取了自然界中進化的理念，但也和自然界的進化有所不同：弗朗西斯·阿諾德使用細菌作為載體，每一代所花的時間小於自然界中大部分的動物，但每一代的數量卻可以很大。另外比起自然界緩慢的突變，分子的定向進化通過添加隨機引物、低保真PCR等手段人為地增加了突變率。
定向進化不僅可以提高酶的性能，還能提高蛋白分子對目標的親和性。這裡就需要提到因這一技術而獲獎的格雷格·溫特和喬治·史密斯的貢獻——「噬菌體展示」了。不過，既然細菌可以滿足定向進化的需求，為什麼還需要噬菌體？這裡就不得不提到噬菌體和它的奇特特性了。
噬菌體是一種寄生於細菌的病毒。它的表面原本有著為了繁衍和生存而準備的各種蛋白。但是科學家也可以通過基因工程的手段讓它把我們感興趣的蛋白質展示在自己的表面。以噬菌體M13為例，M13噬菌體頂端的pIII可以通過插入DNA來變成我們感興趣的蛋白。
噬菌體展示的具體流程和酶的定向進化類似：首先將DNA轉入噬菌體，再讓噬菌體和固定好的目標蛋白接觸。如果噬菌體上的蛋白質對目標有很好的親和性，那麼它也會被固定住，反之則不會。那麼我們只需沖洗掉親和性低的噬菌體，保留親和性高的，測序並進行下一輪的突變即可。和以細菌為載體的分子進化不同，這裡我們並不需要一個一個分析酶的活性，只需要洗去親和性低的，保留親和性高的即可。
喬治·史密斯開創了噬菌體展示這一技術，而格雷格·溫特則將這個技術投入醫學使用，生產了各種對人類疾病非常重要的抗體類藥物。這一過程遠沒有我們想像的那麼簡單：比起人的抗體，可以在噬菌體表面展示的蛋白小得可憐。因此，噬菌體展示並不能涵蓋整個抗體，只能展示和目標接觸的關鍵部位，之後再將DNA序列放入改造後的B細胞（人體內產生抗體的細胞）產生可用的抗體。如今，包括格雷格·溫特在內的許多科學家已不再把自己的目光限制在天然的抗體結構，許多和抗體類似的人工合成結構也在研發之中。
在格雷格·溫特研發的藥物中，最著名的藥物要數阿達木單抗（adalimumab），它可以和體內的腫瘤壞死因子（TNF）結合，緩解免疫反應，用於治療類風濕性關節炎等疾病。
科學家引導了分子的進化，分子的進化也指導了我們
正如之前所說，在分子的定向進化中，科學家不需要知道分子的作用原理等信息，就可以通過一輪一輪的選擇或者篩選來獲得想要的分子。因此，通過定向進化產生的分子也可以反過來為我們展示蛋白質的作用原理，並為未來人工設計蛋白質提供了方向。
1999年，弗朗西斯·阿諾德曾通過定向進化產生出了活性更強、穩定性更高的4-硝基苯酯酶。之後對蛋白質結構的分析發現，原來的酶中較為疏鬆散亂的結構，在通過定向進化產生的酶里被鹽橋、氫鍵等結構加固了。另外值得一提的是，大部分被選擇出的突變並不在酶的活性位點（酶和反應物接觸的位點）。也就是說，在非活性位點的改變也可以提高酶的活性。這些信息都為未來人工設計蛋白質打下了基礎。
蛋白質的定向進化無疑是大自然的規律和人類的智慧的巧妙結合。它不僅為我們帶來許許多多功能強大的酶和抗體，也讓我們對蛋白質的結構和功能有了更深的了解。正是因為這些科學家的不懈努力，我們可以在微觀世界中不斷深入地去探索，去學習，去改造。
2012年諾獎得主約翰·戈登（John Gurdon）爵士告訴我們，即使在高中成績很差，也有可能會拿諾貝爾獎；而今年格雷格·溫特爵士告訴我們，即使在本科時期成績不佳，也有可能會拿諾貝爾獎。
（劍橋真是個充滿勵志故事的地方）
參考資料：
Branden & Tooze. Introduction to Protein Structure 1999
Moore, J.C., and Arnold, F.H. (1996). Directed evolution of a para-nitrobenzyl esterase for aqueous-organic solvents. Nature Biotechnology 14, 458–467.https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/2018/summary/
推薦閱讀：