杨先碧

酱油、食醋、酒的生产都是在酶的作用下完成的。

进化是一种伟大的自然力量，科学家则希望在实验室里模仿生命的进化方法，实现生物大分子（主要是蛋白质）的快速进化。这种掌控生物分子进化的方法，被称为“定向进化”，也有科学家戏称它为“试管里的定向进化”。美国科学家弗朗西丝·阿诺德、乔治·史密斯和英国科学家格雷戈里·温特，因为在定向进化研究领域的开创性贡献而获得了2018年诺贝尔化学奖。

酶的广泛应用

在生物体内的各种蛋白质中，酶是一种重要的蛋白质。就像我们在化学实验中为了加快化学反应的速度而加入的催化剂一样，酶也是一类可以为生物化学反应加速的催化剂。科学家认为，酶是自然界最巧妙的催化剂。酶的催化效率极高，选择性强，且反应条件温和。如果没有酶，我们很难消化和吸收食物、细胞修复、消炎排毒等。如果我们体内失去了酶，生命也就走向了终点。

虽然酶是生命延续的重要工具，自然界的生命体中就存在着各种各样的酶，但是人们还是不满足于仅仅获取来自自然界中酶的收益，还将天然的或人工合成的酶用于生产多种原材料或产品。随着蛋白质工程的蓬勃发展，这种来自生命体内的催化剂，也应用于工业催化的方方面面。比如：酱油、食醋、酒的生产都是在酶的作用下完成的;洗衣粉中加入酶，可以使洗衣粉去污效率提高;各种酶制剂在临床上的应用也越来越普遍。由于酶的应用广泛，酶的提取和合成就成了重要的研究课题。

从第一次工业革命开始，人们就希望能快速合成一些自然界中存在或不存在的物质，现在这样的合成技术越来越多且越来越成熟。当科学家面对生物大分子的合成和设计时，还是感到十分吃力，因为生物大分子是自然界中最复杂的分子。在1990年以前，科学家在人工设计新蛋白质分子方面，一直没有获得太大的进展，因为酶的结构实在太复杂了。

酶的定向进化

酶由20种不同的氨基酸组成。一个酶可以包含成百上千个氨基酸分子，有无数种可能的排列组合;它们连接成长链，折叠成多种三维结构。要想对如此复杂的结构进行理性设计，用阿诺德的话说，“这有些自不量力。”阿诺德是半路出家的生物化学家，大学本科时学的是机械与航空航天工程专业，只是在上硕士研究生的时候才转向蛋白质工程研究。

阿诺德打破常规思维，不是想着以传统的化学方法来设计蛋白质分子，而是借助进化的力量。1993年，阿諾德进行了第一次酶的定向进化，获得了新的酶。阿诺德着迷于进化的力量。“进化是世界上最强大的工程方法，我们应该利用它来寻找解决问题的新的生物解决方案。”阿诺德在2017年接受加州理工学院校报采访时说道。

自从第一批生命的种子在约37亿年前诞生以来，地球上的几乎每一寸空间都充满着包括微生物在内的多样化生命。生命在各种极端的环境下都能存活下来，这是因为构成生命的蛋白质在几十亿年的进化历程中，已经被优化、改变和更新，创造出了难以置信的多样性。

进化的本质是基因突变和自然选择。阿诺德则是在实验室中，通过改变微生物培养液中各种化学物质浓度的方法，让可产生酶的微生物发生随机的基因突变，再用合适的方法加以筛选，找出自己所需的目标微生物。利用这些微生物生产自己所需的新酶，就可以广泛用于科学研究和工业生产了。

在非自然的环境中，比如含有高浓度大极性有机溶剂的破坏性环境中，酶的稳定性往往会受到很大影响。而在工业化生产中，酶又往往需要在有机溶剂中发挥催化作用——这一工业需求随之带来一个问题一能否通过调整蛋白结构提升酶在有机溶剂中的稳定性，从而保证甚至提高其催化活性？20世纪90年代初，阿诺德开始尝试用进化的方法来设计酶，以便提升酶在工业中的应用。

阿诺德选择的研究对象是枯草芽孢杆菌。这种细菌的蛋白酶可用于水解酪蛋白，但其在有机溶剂二甲基甲酰胺（DMF）中的稳定性极差，导致其在浓度为60%的DMF水溶液中的催化活性远远低于在纯水中的活性。他们在表达该蛋白酶的基因中引入随机突变，得到表达相应突变体酶的菌落，并快速筛选出了催化活性更高的突变体。通过数轮进化，他们得到了在60%DMF溶液中的催化效率提高了256倍的枯草芽孢杆菌蛋白酶突变体！这个活性水平与普通的枯草芽孢杆菌蛋白酶在水中的活性水平相当。基于这个研究，阿诺德提出了“定向进化”这一概念——通过一定程度上模拟自然进化与选择的过程，实现对蛋白引入有益突变，从而改造蛋白功能。

枯草芽孢杆菌可定向进化出新酶。

以往在工业生产中所用到的酶，通常是在自然界中筛选出来的，比如从土壤、水、生物中进行筛选，但是这种方法周期很长，而且效率也偏低。酶的定向进化技术，是从基因水平对生产酶的微生物进行改造，从而快速获得酶，或是进化出性能更加好的新酶。阿诺德的定向进化方法，可让工业界以更加环保节能的方式生产酶，对化工生产、制药、绿色能源开发等方面都有着十分重要的意义。

定向进化是在实验室中快速完成蛋白质的进化过程。

大肠杆菌在化学物质的刺激下可定向进化出新酶。

在2013年获得美国国家技术与创新奖时的一条视频短片中，阿诺德教授解释了她所做的工作：“定向进化让我重写生命密码，尤其是用它来解决人类的问题。定向进化的神奇之处就在于，一旦你展示了这种能力，那么所有具有创造力的人都能够将它应用到解决实际问题中去。”阿诺德还身体力行，参与了这项技术的商业化应用，先后与他人联合创立了一家合成航空燃料前驱物的公司和一家杀虫剂公司。

抗体的定向进化

抗体是生物体内能够抵御外敌入侵的蛋白质，是生命防线中的重要成员。抗体主要有两类，一类是正常抗体，比如对血型为A型的人来说，体内有对抗B型血输入的抗体;还有一类是免疫抗体，通常用于抵御有毒有害的致病微生物。科学家研究比较多的是可以治病救人的免疫抗体。

如何才能发现某个基因能否产生新的抗体？科学家一直在找一个“好演员”，希望它能够把那些能够产生新抗体的基因很好地展示出来。1985年，史密斯率先发现了这个“好演员”，它就是噬菌体。就像它的名字一样，噬菌体是一种能够感染和吞食细菌的病毒。

我们都知道，基因是生产蛋白质的密码。然而，生物体内的基因数不胜数，过去科学家一直缺乏便捷有效的方法找到生产某个蛋白质的特定基因。为解决这个问题，史密斯教授在结构极为简单的噬菌体身上找到了灵感。他的妙想是：鉴于噬菌体的最外层是“衣壳蛋白”，可将一条基因片段插入噬菌体的衣壳蛋白基因中，随后这条基因片段将生产出新的蛋白质，并成为噬菌体外层的衣壳蛋白的一部分——这样，插入的基因片段所对应的蛋白质自然就在噬菌体表面“展示”出来了。因此，科学家把这种独特的技术叫作“噬菌体展示技术”。

通过实验，这一“展示技术”得到证实，并不断改进。由于新培育的蛋白质能明明白白地展示在噬菌体的表面，科学家就很容易从中找到适合作新抗体的蛋白质，也能反推出产生这种新抗体的决定性基因。由于噬菌体生命周期短、繁殖速度快，这样就能让科学家快速地找到新抗体。通常只需要两个星期，科学家就能找到某个抗体对应的基因，这让科学家对新抗体的挑选余地就很大。

噬菌体展示系统模拟了自然免疫系统，使我们有可能模拟体内抗体生成过程，让抗体能够加速进行定向进化，大大促进了免疫药物的研发和生产速度。噬菌体展示技术在定向分子进化过程中发挥非常大的作用，不仅在抗体研究领域作用很大，还能用于酶及其活性的研究。经过近30多年的发展和完善，噬菌体展示技术已开始造福人类。这种技术被广泛应用于抗原抗体库的建立、药物设计、疫苗研究、病原检测、基因治疗等。

一般人发明了这样好的技术，马上就会去申请专利，或者开公司赚钱。然而，史密斯选择让别人无条件地使用他的噬菌体展示方法。许多科学家都在利用史密斯开发出的噬菌体展示技术，其中具有显著成效的是温特。在获知史密斯的噬菌体展示技术后.温特开展了大量的抗体定向进化研究。他不断地用住实验室中获得的特定基因插入到噬菌体基因中，然后分析噬菌体产生的新蛋白质，从中筛选出新的抗体。他因此成了第一個利用抗体定向进化技术发明新药的人。这个药物是阿达木单抗（单克隆抗体），从2002年开始正式用于治疗类风湿关节炎、银屑病和炎症性肠病。

定向进化是人类对生命认知的一次重大变革，它对未来地球生命将产生重大而深远的影响。如果用好这些工具，不但可以让人们的生命家园更加美好，而且可以让我们健康长寿。当然，我们也得警惕定向进化被人利用，从而设计出不利于人类的奇特生物，那很可能改变地球生态，给人类带来难以想象的灾害。（责任编辑 张虹）

获奖者简介

弗朗西丝·阿诺德（Frances H.Arnold），生物化学家，美国加州～ALY-学院教授，迄今为止第五位获得诺贝尔化学奖的女科学家。1956年生于美国匹兹堡，1979年本科毕业于美国普林斯顿大学，1986年于美国加州大学伯克利分校获博士学位。

乔治·史密斯（George P.Smith），生物学家，美国密苏里大学生物科学系荣誉教授。1941年生于美国诺沃克，1970年于美国哈佛大学获博士学位，然后到威斯康星大学做博士后（合作导师：诺贝尔奖获得者奥利弗·史密斯），1975年到密苏里大学工作。2007年获美国微生物学会颁发的普罗麦格生物技术研究奖。

格雷戈里·温特（Gregory P.Winter），分子生物学家，英国剑桥大学MRC分子生物学实验室名誉研究主任。1951年生于英国莱彻斯特，1976年于英国剑桥大学获博士学位。1989年创立了剑桥抗体技术公司，参与抗体工程研究。2011年获英国皇家学会颁发的皇家奖章。

坚韧不拔的女科学家

弗朗西斯·阿诺德教授是诺贝尔奖118年历史上第五位女性化学奖得主。最近一位化学奖得主是2009年以色列的艾达·约纳特，此前获得该奖项的女性得主包括1911年的玛丽·居里、1935年的伊雷娜·约里奥一居里与1964年的多萝西-霍奇金。同时，阿诺德也是首位获得诺贝尔化学奖的美国女科学家，是最早获得美国国家科学院、美国国家工程院、美国国家医学院“三院院士”称号的女性科学家，也是英国皇家工程学院外籍院士。

阿诺德1956年出生于美国匹兹堡的一个科学世家，她的父亲是美国著名的核工程专家，在43岁那年获得了美国工程院院士称号。巧的是，阿诺德也是在43岁时获得美国工程院院士的称号，他们是美国历史上为数不多的一对“父女院士”。

近年来，阿诺德获得了许多重要的奖项，成为令人瞩目的明星科学家。2013年，她获得美国国家技术与创新奖，奥巴马在白宫亲自为她颁奖。2014年，她入选国家发明家名人堂。2016年，她成为第一位获得芬兰科技学院颁发的“千年技术奖”的女性。2017年，她获得了美国国家科学院颁发的萨克勒奖。

但事业上成绩斐然的阿诺德，却在生活上遇到诸多坎坷。2001年，阿诺德的第一任丈夫、美国工程院院士、生物化学工程师詹姆斯·贝利患癌症去世;2005年，阿诺德确诊患乳腺癌，接受了18个月的治疗;2010年，她的第二任丈夫、美国科学院院士、著名的宇宙学家安德鲁·朗格自杀身亡;2016年，她正在上大三的儿子也在意外中身亡。

作为女性科学家，常会面对性别壁垒和成见，比如有人怀疑，女性是否拥有与男性一样的承担某些工作的能力。有的男性同事也用“咄咄逼人”和“好斗”这些负面词汇形容她。

但阿诺德说，“非常幸运的是我并不在意这些人的存在，我为能够完全忽视他们感到幸运。”

一个坚强的女性，一个成功的追梦女科学家。命运强加给她的所有坎坷挫折，都被她用以砥砺自己，而她的获奖，也不过是她科学生命的新起点。阿诺德教授目前仍在做“定向进化”方面的研究，但更加侧重创造一些新的、更好的酶。“她仍在不断超越自我，通过试管模拟进化，来创造自然界难以创造的东西。”她的学生这样评价道。如今，在全世界，她至少有50余名在化学、生物化学、生物工程和生化制药领域里做教授的前博士生和博士后，她在这些领域培养了不少优秀人才。