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【诺贝尔 2018】促进生质能和新药开发,化学奖颁给蛋白质演化研究及基因工程工具
上传时间:2020-06-13点击:697次
【诺贝尔 2018】促进生质能和新药开发,化学奖颁给蛋白质演化研究及基因工程工具

2018 年诺贝尔化学奖出炉,由英国科学家 Sir Gregory P. Winter 和两位美国科学家 Frances H. Arnold 及 George P. Smith 获得,3 位科学家将分享由瑞典皇家科学院(Royal Swedish Academy of Sciences)所颁发的 900 万瑞典克朗(相当于新台币 3 千多万元)奖金。3 位得奖者的研究藉由模拟自然界的演化过程,最终促进新燃料和药物的开发,并进一步推动医疗和环境的进步。

「酵素工程这个领域一直在等待诺贝尔奖的降临。」伦敦大学学院的生物化学工程和生物科技学教授 Paul Dalby 表示。

【诺贝尔 2018】促进生质能和新药开发,化学奖颁给蛋白质演化研究及基因工程工具

瑞典皇家学院公布的得奖者的海报,表彰他们在酵素定向演化,以及肽(peptide)和抗体(antibody)的噬菌体展示技术。

奖项奖金的一半由来自加州理工学院(California Institute of Technology)的 Arnold 获得。Arnold 是第五位获得诺贝尔化学奖的女性,也是研究定向演化(directed evolution)的先驱之一。

定向演化是蛋白质工程使用的一种方法,它能模拟自然界筛选的过程,培育出研究人员感兴趣或技术上有用的蛋白质。过程包括诱发基因经历迭代轮次的突变(mutagenesis),接着筛选出带有所需特徵的蛋白质(selection ),最后进行扩增(amplification)。

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在酵素的基因中引进随机突变,来模拟大自然筛选的过程。

简而言之,Arnold 将随机的突变基因引入酵素中,然后看看这些突变能对酵素造成什幺影响。接着,筛选出有效用的特定突变,例如:突变使得酵素能在原先无法起作用的溶剂中进行催化反应。她进一步重複这个过程,并将突变基因再次引入这些筛选出的酵素中。

「当我开始发表论文证明我可以製造更稳定的酵素、我可以改变酵素的受质特异性(substrate specificity)、我可以让酵素更活跃时,这些都是没有人知道该怎幺做的事情。」Arnold 表示。

Arnold 更说道:「25 年前,这被视为是疯狂的想法。没有科学家这幺做,也没有男人这幺做。但由于我是工程师且不是男人,所以我无所顾忌地投入去做它。」

Arnold 的研究为各种领域提供适合的酵素,包括生物燃料的开发和药物的生产,并有效减少许多有毒催化剂的使用机会。

「人们已经在工业中使用某些酵素,但只有那些能在自然界中被找到,并恰巧品质够好的酵素。这些酵素并不是很多,而且还带有不少问题。」Dalby 说。

「Arnold 提出她的研究成果后,我们便能有效地调整酵素,在工业环境中发挥更好的效果。」

「我们预期它的最终成效是,将原本在自然中需要花上十亿年或百万年的进展过程,降低到可能不到一週的时间。」

该奖项的另一半则要归功于 Winter 和 Smith 在「肽(peptide)和抗体(antibody)的噬菌体展示(phage display)」的研究。噬菌体是一种可以感染细菌并诱使细菌繁殖的病毒。密苏里大学的Smith发现,修改噬菌体的遗传物质可以改变贴附在其外部的分子。

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运用噬菌体展示技术,科学家能透过基因工程让噬菌体携带特定蛋白质,以探索这些蛋白质如何与特定目标相互作用。

Smith 意识到这个特徵可能很好用,例如:如果不知道某段特定基因会製造出什幺蛋白质,便能该基因植入噬菌体的 DNA 中,这个未知蛋白质将出现在噬菌体的表面并被识别。这也意味着科学家们可以将大量未知的基因片段植入噬菌体,看看是否能产生任何一种已知的蛋白质,进而确定哪些基因对应到哪种蛋白质。

该方法还为科学家们开启另一扇大门,那就是透过基因工程让噬菌体携带特定蛋白质,以探索这些蛋白质如何与特定目标相互作用。

今天,噬菌体展示已经产生了可以中和毒素,抵抗自身免疫疾病和治愈转移性癌症的抗体。

Winter 的研究方向是将各种抗体结合位(antibody binding site)的 DNA 植入噬菌体中,使噬菌体在表面呈现抗体。这意味着它可以透过筛选噬菌体,来找到与特定分子间有最佳反应作用的抗体。

Winter 能使用该噬菌体展示法来生产新药,为癌症、自体免疫疾病等等提供治疗。其中已开发出的一种新药是 adalimumab,能治疗类风湿性关节炎、牛皮癣和炎症性肠病的抗体药物。

「现今几乎所有的现代疗法都是抗体药物,都能利用噬菌体展示这样的技术,」Dalby 说。「这完全是开创性的研究,如果 Smith 没有首先发展噬菌体展示法,这可能永远不会发生。」

在 2016 年的一次採访中,Winter 向他的第一位癌症患者承认他不知道抗体治疗是否有效。而事实上,那次的治疗结果相当成功,一个巨大的肿瘤消失了。这场胜利让剑桥分子生物学实验室的研究人员总共获得 12 个诺贝尔奖。

这 3 位诺贝尔奖得主的贡献,将为日常生活中许多领域带来改善,包括医药产业、生质燃料、绿色催化剂等等。受到各界科学家的大力讚扬。

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