如何通俗地理解 2018 年诺贝尔化学奖「蛋白质进化」？在我们生活中有什么实际应用？

补一下噬菌体展示技术的~

噬菌体本质上很简单，它主要由蛋白质和核酸（DNA和RNA）组成，是感染细菌、真菌、放线菌或螺旋体等微生物的病毒总称。

噬菌体的繁殖也很粗暴简单，它们将遗传物质注入宿主菌并劫持新陈代谢功能，然后宿主菌产生噬菌体的遗传物质和胶囊蛋白，新的噬菌体便得以形成，即完成了噬菌体的繁衍。

乔治·史密斯的“噬菌体展示”技术的基本原理，就是将编码多肽的外源DNA片段与噬菌体表面蛋白的编码基因融合后，以融合蛋白的形式呈现在噬菌体的表面。被展示的多肽或蛋白可保持相对的空间结构和生物活性并暴露于噬菌体表面。

经过这波操作，导入各种各样外源基因的一群噬菌体，就构成了一个呈现各种各样外源肽的展示库。

当用一个蛋白质去筛查一个噬菌体展示库时，具体的操作过程就是用这个蛋白质与该库中的全部噬菌体同时进行反应，以测试蛋白质与噬菌体的结合能力。这个蛋白质会选择性地同（暴露于特定噬菌体表面的）某个外源肽相结合，从而分离出展示库里的某个特定的噬菌体。

乔治·史密斯奠定了噬菌体展示技术基础。该方法简单明了，它的优势在于能在蛋白质与其遗传信息之间提供直接的物理联系，人们可以有效的对所需功能的克隆进行反复筛选，并随之对其进行扩增，最终实现蛋白质的定向进化。

噬菌体展示技术让抗体定向进化

既然已经说了获奖是因为“利用进化的力量”，具体如何实现呢？

研究人员一直希望研究出能够阻断体内各种疾病过程并起到药物作用的抗体，抗体药物的发展也历经了多次进化：从最初的鼠源抗体，二代人鼠嵌合抗体；三代人源化抗体，再到四代的全人源抗体。人源抗体是基于噬菌体抗体库的技术手段而得到的抗体。

噬菌体抗体库技术主要方法是将B淋巴细胞轻链和重链基因库扩增，再融合到噬菌体衣壳蛋白中，经噬菌体表面展示系统表达后形成的噬菌体抗体库。这类抗体库含有丰度较高的抗原特异性抗体，能够产生更多更好的抗体，而且这些抗体经过了免疫系统的亲和力成熟过程，因此可从这种免疫抗体库中筛选出对靶标亲和性高的抗体。

噬菌体抗体库的优点是直接将蛋白质与其基因联系在一起，再利用配体的特异性亲和力，最终将不同的蛋白或多肽挑选出来。这相对于传统的筛选技术，在时间周期、抗体类型、筛选范围、经济成本等方面有着突出的优势。通过噬菌体展示技术获得的抗体，不仅去除了鼠源抗体的免疫源性，而且免去了人源化操作，其筛选过程简单、高效，能在较短时间内获取亲和力较强的全人源抗体。

格雷格·温特建立了一个噬菌体库，其表面上有数十亿种抗体。从这个库中，他找到了附着在不同靶蛋白上的抗体。然后，他在定向进化抗体的帮助下升级了新的库，在这个库中的抗体与靶标的附着力更强。

格雷格·温特和同事们还成立了一家基于抗体噬菌体展示技术的公司。在20世纪90年代，公司开发出了一种完全基于人体抗体的药物：阿达木单抗。这是第一个从噬菌体展示技术得到的全人体单克隆抗体，它能针对性地结合人肿瘤坏死因子（TNF），并阻断TNF和受体的结合。2002年，该药物被批准用于治疗类风湿性关节炎，现在也用于治疗不同类型的牛皮癣和炎症性肠病。阿达木单抗的成功刺激了制药行业的发展。

噬菌体展示技术还可应用于癌抗体领域。癌抗体是来源于身体的杀伤性细胞，因此它们可以攻击肿瘤细胞，致使肿瘤生长减缓，在某些情况下，即使患有转移性癌症的患者也能治愈，这是癌症治疗的历史性突破。已经批准的另一种抗体药物可以中和炭疽细菌毒素，还一种则可以减缓狼疮症状。目前正在进行更多的抗体临床试验，例如抗击阿尔茨海默病的新药。

作者：Zique

参考文献：

https://www.nobelprize.org

2. Ward E S, Güssow D, Griffiths A D, et al. Binding activities of a repertoire of single immunoglobulin variable domains secreted from Escherichia coli.[J]. Nature, 1989, 341(6242):544-546.

3. https://baike.baidu.com/item/%E5%99%AC%E8%8F%8C%E4%BD%93%E5%B1%95%E7%A4%BA%E6%8A%80%E6%9C%AF/190351?fr=aladdin

4. 唐陶,陈冰冰,龙航宇,等.噬菌体对细菌感染的治疗作用及应用研究[J].中国兽医杂志,2018(3).

5. 蒋红欣.噬菌体抗体库技术在抗体研发中的运用[J].科学技术创新,2017(33):158-159.

诺贝尔奖委员会在最初宣布奖项时，用深情而充满诗意的语调，告诉大家今年三位获奖者的获奖理由是“利用进化的力量”。

美国女科学家、加利福尼亚理工学院教授Frances H. Arnold因在定向进化(directed evolution)领域做出的开创性工作而独享一半的奖项。定向进化通过人为模拟进化发生的过程，诱使蛋白质等生物分子的结构发生变化，使之能够实现特定的功能。值得一提的是，Frances H. Arnold是第五位获得诺贝尔化学奖的女性。

美国科学家George P. Smith和英国科学家Greg Winter由于在噬菌体展示技术（phage display technology）中的贡献而分享另一半的奖项。目前噬菌体展示技术已经成为药物开发的重要工具。

两组获奖成果的本质都是利用生物细胞中内在的生理过程来实现特定的应用目的，而这个生理过程便是细胞在基因控制下合成蛋白质，它是生物体中永不停息的生化过程。今天，我们以定向进化技术为例，介绍一下这几位科学家发明的技术是如何利用进化的力量驾驭亿万微小分子，从而造福于世的。

定向进化的本质是一种快速产生人工蛋白质的方法

通常，说起“进化”，我们都会默认这是个褒义词。它代表了一种向上，向前的趋势。反映到具体的物种身上，就是更快、更高、更强、更聪明，或者对某种不利条件具有更加强大的忍耐力。

然而，生物体的进化，其内生的动力往往是构成生物体的细胞中，某些蛋白质的进化。这些进化的蛋白质需要突变的基因来对其进行表达，翻译成生物学上的说法，便是基因突变后，基因对应表达的蛋白质也将发生变化。

也就是说，实际上，蛋白质的进化也是基因突变后的自然结果。

例如，澳大利亚的考拉在漫长的进化过程中，形成了以桉树叶为主食的习性，而后者可以产生令绝大多数动物死亡的毒性物质——萜烯。考拉体内与萜烯抗毒相关的基因高度表达，从而令考拉的肾脏可以将萜烯处理成水溶物质排出体外。而考拉强健的肾功能，就得益于其中用以分解萜烯的各种酶类在漫长的进化过程中，功能不断的得到加强。

定向进化是如何实现的？

定向进化的根本思路是在人工条件下对蛋白质进行反复的变异和淘汰，从而有选择性的制造出所希望的蛋白质。

首先要选出“优良蛋白质”。具体来说，就是利用DNA合成技术，建立一个含有多种碱基排列顺序的变异集团（可以认为是一个DNA库）。再利用这些DNA转录出与其结构对应的蛋白质，就可以形成一个含有多种蛋白质的蛋白质库。这些蛋白质在实现我们具体设定的目标时候，必然有功能强弱之分，之后再差中取好，优中选精。

这就好比在产品开发过程中，淘汰差的方案，仅仅保留其中的优异分子。

到了这一步，好戏才刚开始。

科学家们选出某优良蛋白质后，将再实施一遍上面工艺的逆过程，将转录该蛋白质所对应的DNA结构确定下来。

然后，利用已经非常成熟的PCR技术大量复制该DNA。而且，在这个复制过程中还可能同时再引入适当的变异，以期进一步提高该蛋白质的效能。

这一系列的操作完成之后，就可以在极短的时间内完成蛋白质的跃变性进化。

人工改造蛋白质的应用

生物体中可以实现某些特定生化过程的蛋白质就是酶（也有生物酶，蛋白酶等多种叫法）。

从高中生物课上我们已经了解过，酶是活细胞制造的某些特殊蛋白质（极少数是RNA），它们参与生物体中的一系列生化反应，通过复杂而精妙的机制调控反应进行的速率、方向以及程度等，堪称是生物体内的魔法师。在人体中，酶通常会直接依据基因记录的遗传信息在细胞内合成，具体的过程在此不做太多阐述，大家只要知道身体中的以酶为代表的各种蛋白质可以在基因所含遗传信息的指导下合成即可。

生物酶这一类蛋白质，在解决某些具体问题时，往往具有无与伦比的效率和能力。它们的功能是如此令人着迷，以至于人类不光希望弄清它们的运作原理，更想大量获得它们从而为我所用。实际上，人工制备的生物酶已经广泛用于洗涤剂、原油污染处理、生物质燃料制备、杀灭有害细菌等场合。而进化控制技术正是大量制造人工酶的绝佳利器。

据《卫报》4月16日报道，近日英国科学家在研究2016年发现的某种PET塑料（聚对苯二甲酸乙二酯）降解酶的过程中，无意间改变了该酶的结构，导致其降解PET的能力有效提高，该项幸运指数爆表的发现很有可能在未来改变人类的生活方式和整个石油工业的格局。