“试管中的演化”赢得了诺贝尔化学奖

原文以‘Test-tube’ evolution wins Chemistry Nobel Prize为标题

发布在2018年10月3日的《自然》新闻上

原文作者：Elizabeth Gibney、Richard Van Noorden、Heidi Ledford、Davide Castelvecchi & Matthew Warren

Frances Arnold、Gregory Winter和George Smith通过在实验室中操控演化过程创造了更加绿色环保的技术和新型药物。

三位科学家因发明了可以加速和操控蛋白质演化以创造更环保的技术和新药物的方法，赢得了2018年诺贝尔化学奖。

化学工程师Frances Arnold来自加州理工学院，她是过去50年来第二位获得这个奖项的女性。她获得了九百万瑞典克朗（一百万美元）奖金的一半，另外一半奖金由英国剑桥MRC分子生物学实验室（MRC Laboratory of Molecular Biology）的Gregory Winter与密苏里大学的George Smith分享。

Arnold在20世纪90年代开展了有关酶的定向演化的开创性研究。她发明的方法首先在产生酶的细菌中诱导突变，然后筛选细菌来加速和定向推动酶的演化。这些酶是能够催化化学反应的蛋白质，现在被应用于生物燃料生产乃至药物合成等领域。

 “生物界的这个（演化）过程使得我们能够看到如此美妙繁复的自然。”她在10月3日奖项公布后不久告诉《自然》。自然演化是无序的，但是科学家知道他们需要一种酶的哪些化学性质，她的技术则加速了自然选择以实现这些目标，“就像选育赛马一样。”

从左至右分别为Gregory Winter、Frances Arnold和George Smith。

图片来源：Aga Machaj; Caltech; Univ. Missouri-Columbia（从左至右）

抗体合成的突破

1985年，Smith首创了一种名为“噬菌体展示”（也称噬菌体呈现）的技术。这项技术用噬菌体——一种会感染细菌的病毒——作为载体，在其外壳上表达一种蛋白质，使研究人员能够探寻与这种蛋白质相互作用的分子。Winter进一步优化了这项技术，并且发明了一些方法依靠这项技术来演化产生适用于人类治疗的抗体。如今，利用这种方法得到的抗体能够中和毒素，治疗自体免疫疾病。

第一种人源化抗体——阿达木单抗（修美乐）——是Winter 在1989年与人共同创办的Cambridge Antibody Technology公司发现的，2002年被批准用于类风湿关节炎的治疗。这种药也能治疗银屑病和炎症性肠病。2017年，修美乐成为世界上销量最大的药物，销售额达到184亿美元。

Cambridge Antibody Technology的联合创始人David Chiswell说，公司刚成立时非常不被看好，很难找到投资人。“它是欧洲最早一批生物科技公司之一，”Chiswell说，他现在是同样位于剑桥的抗体公司Kymab的首席执行官，“那是充满激情的时期，那时我们还没完全了解我们做的东西，而且世界上还没人相信抗体有那么好的疗效。”

遭受冷遇

麻省理工学院的蛋白质工程师Dane Wittrup介绍说，Arnold刚刚提出实验室演化蛋白质的想法时，也遭遇了十分困难的处境。当时的研究人员认为，他们能做的是坐在电脑前理性设计蛋白质来实现特定的功能。“她的想法那时是反潮流的，”他说，“但如今，无论何处，定向演化已是一种通行的方法了。”

英国曼彻斯特大学的有机化学家Nicholas Turner也同意这个说法。“几乎每一种商业规模应用的酶都是通过某种定向演化方法制造出来的。”

Winter曾经在接受《自然-生物技术》采访时说，他十分幸运，他工作的分子生物学实验室给了他“完全自主权”来进行他的研究，没有刻意区分纯科学与应用科学。“要靠传统的科研经费很难完成我的发明，因为它看起来更偏重实用，而工业界的资金也很难获得，因为早期的研究不受支持，而且一开始大部分公司都不看好抗体药物。”

在10月3日的一场新闻发布会上，当被问及英国脱欧对英国科学的影响时，Winter表示比较乐观。“只要脱欧还没让我们过得很糟，或者只要不比现在糟，我觉得就不是什么问题。”他说。不过他也提到，如果从欧洲其它地方引进顶尖科研人才变得困难，前景就值得忧虑了。“我们应该向政府强调，他们有可能会扼杀英国科学的未来。”

Winter还讲到，他将自己的研究带出实验室、推广到临床应用中的动力，来自于早年间与一位女士的偶遇。她罹患癌症，接受了他发明的一种人源化抗癌抗体的早期试验。Winter提醒她，治疗的效果可能不会持久，她告诉他不必担心——她只需要多活几个月，好能照顾她临终的丈夫。“我听到这里哽咽难言。”Winter说。

在宣布获奖名单时，2018年诺贝尔化学奖评奖委员会主席Claes Gustafsson强调了这些科学家的成果对人类的贡献：“我们的获奖者将达尔文的理论原理运用在了实验室试管中，用这种方法发明了造福全人类的新型化学物质。”

女性获奖者

在Arnold之前，上一位获得诺贝尔化学奖的女性是Ada Yonath。Yonath是以色列魏茨曼科学研究所的晶体学家，2009年因绘制核糖体结构而获奖。核糖体是细胞中依据基因编码合成蛋白质的结构。在Yonath之前的女性诺贝尔化学奖得主是晶体学家Dorothy Hodgkin（1964年）。

Arnold是仅有的五位诺贝尔化学奖获奖女性之一。2016年她还因她的研究成果获得了千禧年科技奖（MillenniumTechnology Prize）。

Arnold说她深夜接到斯德哥尔摩来的电话时“十分震惊”。“我花了一分钟才清醒过来。”她说她早就想到她的方法会大有功用，“我很快就清楚地知道了，只是世界上其它的人没有马上明白。”

而她最感兴趣的定向演化的应用至今还未实现。她的一个梦想是创造一种能够将大气中的二氧化碳吸收转化为材料和燃料的酶。ⓝ

Nature|doi:10.1038/d41586-018-06753-y

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