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2018年，“蛋白质的定向进化”终于实至名归地登上了诺贝尔奖的讲台。弗朗西斯·阿诺德(Frances Arnold)因为“酶的定向进化(direct evolution of enzymes)”而获得一半的奖金，剩余的一般奖金则被因“噬菌体展示(the phage display of peptides and antibody)”技术而获奖的格雷格·温特(Greg Winter)和乔治·史密斯(George Smith)平分。也许连达尔文自己也没想到，在他发表《物种起源》后的第159年，从他的进化论中衍生出的方法登上了当今自然科学领域最重要奖项的领奖台。进化是如何进行的？分子的进化要如何完成？“定向进化”又为我们带来了什么？让我们来深入了解这个技术。
从生物的进化到分子的进化
在达尔文的自然选择理论中，更适应环境的个体更容易存活，也就更容易将自己的基因传给下一代。早在达尔文发表《物种起源》之前，人们就已经在不知不觉的利用自然选择这一原理：在马、狗等动物中，人们从亲代中选出具有自己喜欢特征的个体，让它们繁殖，再从产下的后代中选择具有更好特征的个体让他们繁殖……如此往复循环，即使饲养者对生物学或者遗传学一无所知，他们可以让被饲养的动物得到自己喜欢的特征。
蛋白质是生命科学中及其重要的一部分，无论是用于化学合成的高效催化剂——酶，还是医学和生物学中大显神通的抗体，都属于蛋白质。动物可以通过人工选育的方法得到更好的个体，同样的，蛋白质也可以。正如动物的选育一样，即使我们不知道一个蛋白质的结构和它的作用原理，我们也可以让它变得更稳定、更高效，或者对特定目标具有更强的亲和性。科学家可以在诸多蛋白质中选择性能能优异的个体，再让那些蛋白质“繁殖”，再“选育”，最终得到具有我们想要的特征的蛋白质。这就是“蛋白质进化”的基本原理。
实验室里的进化
理论虽是如此，但是很显然，蛋白质自己并不能繁殖，那么要如何让上一代最优秀的蛋白质产生出既和自己类似，又有一些不同的“后代”呢？这里就要说到这次诺奖的模式生物——大肠杆菌和噬菌体。
大肠杆菌是实验室常用的细菌，噬菌体是感染细菌的病毒。它们的共同特点是：长得快。狗的选育需要几年才有一代，但是细菌和噬菌体每天就能产生很多代。
弗朗西斯·阿诺德利用细菌来获得具有更高性能的酶。这个过程一共分四步：首先，对自然界中已经存在的酶的基因中引入突变。接着将基因插入细菌中，让细菌产生对应的酶。之后再对新产生的酶进行挑选，找到得到改良的，丢弃变差的，这一步和自然界中的“优胜劣汰”相似。最后再将“胜利者”的基因进行下一步的突变。如此循环，最终得到想要的酶。
分子的定向进化吸取了自然界中进化的理念，但也和自然界的进化有所不同：弗朗西斯·阿诺德使用细菌作为载体，每一代所花的时间小于自然界中大部分的动物，但每一代的数量却可以很大。另外比起自然界缓慢的突变，分子的定向进化通过添加随机引物、低保真PCR等手段人为地增加了突变率。
定向进化不仅可以提高酶的性能，还能提高蛋白分子对目标的亲和性。这里就需要提到因这一技术而获奖的格雷格·温特和乔治·史密斯的贡献——“噬菌体展示”了。不过，既然细菌可以满足定向进化的需求，为什么还需要噬菌体？这里就不得不提到噬菌体和它的奇特特性了。
噬菌体是一种寄生于细菌的病毒。它的表面原本有着为了繁衍和生存而准备的各种蛋白。但是科学家也可以通过基因工程的手段让它把我们感兴趣的蛋白质展示在自己的表面。以噬菌体M13为例，M13噬菌体顶端的pIII可以通过插入DNA来变成我们感兴趣的蛋白。
噬菌体展示的具体流程和酶的定向进化类似：首先将DNA转入噬菌体，再让噬菌体和固定好的目标蛋白接触。如果噬菌体上的蛋白质对目标有很好的亲和性，那么它也会被固定住，反之则不会。那么我们只需冲洗掉亲和性低的噬菌体，保留亲和性高的，测序并进行下一轮的突变即可。和以细菌为载体的分子进化不同，这里我们并不需要一个一个分析酶的活性，只需要洗去亲和性低的，保留亲和性高的即可。
乔治·史密斯开创了噬菌体展示这一技术，而格雷格·温特则将这个技术投入医学使用，生产了各种对人类疾病非常重要的抗体类药物。这一过程远没有我们想象的那么简单：比起人的抗体，可以在噬菌体表面展示的蛋白小得可怜。因此，噬菌体展示并不能涵盖整个抗体，只能展示和目标接触的关键部位，之后再将DNA序列放入改造后的B细胞（人体内产生抗体的细胞）产生可用的抗体。如今，包括格雷格·温特在内的许多科学家已不再把自己的目光限制在天然的抗体结构，许多和抗体类似的人工合成结构也在研发之中。
在格雷格·温特研发的药物中，最著名的药物要数阿达木单抗（adalimumab），它可以和体内的肿瘤坏死因子（TNF）结合，缓解免疫反应，用于治疗类风湿性关节炎等疾病。
科学家引导了分子的进化，分子的进化也指导了我们
正如之前所说，在分子的定向进化中，科学家不需要知道分子的作用原理等信息，就可以通过一轮一轮的选择或者筛选来获得想要的分子。因此，通过定向进化产生的分子也可以反过来为我们展示蛋白质的作用原理，并为未来人工设计蛋白质提供了方向。
1999年，弗朗西斯·阿诺德曾通过定向进化产生出了活性更强、稳定性更高的4-硝基苯酯酶。之后对蛋白质结构的分析发现，原来的酶中较为疏松散乱的结构，在通过定向进化产生的酶里被盐桥、氢键等结构加固了。另外值得一提的是，大部分被选择出的突变并不在酶的活性位点（酶和反应物接触的位点）。也就是说，在非活性位点的改变也可以提高酶的活性。这些信息都为未来人工设计蛋白质打下了基础。
蛋白质的定向进化无疑是大自然的规律和人类的智慧的巧妙结合。它不仅为我们带来许许多多功能强大的酶和抗体，也让我们对蛋白质的结构和功能有了更深的了解。正是因为这些科学家的不懈努力，我们可以在微观世界中不断深入地去探索，去学习，去改造。
2012年诺奖得主约翰·戈登（John Gurdon）爵士告诉我们，即使在高中成绩很差，也有可能会拿诺贝尔奖；而今年格雷格·温特爵士告诉我们，即使在本科时期成绩不佳，也有可能会拿诺贝尔奖。
（剑桥真是个充满励志故事的地方）
参考资料：
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.
来源：知乎 www.zhihu.com
作者：虾说
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