【2018年诺贝尔化学奖特别报导】化学的(革命性)进化

2020-06-12  阅读 304 次

演化的力量是透过生命来展现。2018年的化学诺贝尔桂冠颁给Fances H. Arnold (阿诺)、George P. Smith (史密斯) 和 Gregory P. Winter (温特)爵士,表彰她/他们透过演化的控制为人类谋取了最大的福祉。运用人工定向演化(directed evolution)所製造的酵素,现在已被用来生产包括生质燃料和药物等等的物质。抗体的演化可以透过一种噬菌体显示(phage display)的方法来对抗自体免疫的疾病,以及在某些特定的例子中治癒转移性癌症。

我们生存在由强大「演化」力量支配的地球上。当第一批生命的种子于37亿年前出现时,地球上的每一个裂缝几乎都充满了能适应身处环境的生物体:生长在光秃秃山脉的地衣、于温泉茂盛生长的古菌、能存活于乾燥沙漠的多鳞爬虫类,还有能在黑暗深海中发光的水母。

有别于在学校生物课里的学习,当我们戴上化学家的眼镜换个视角来观察生物,我们会发现:地球上的生物演化过程中解决了无数複杂的化学难题,所有的生物都皆具有从其环境的利基取得材料和能量的能力,并用其组成化学创造品,例如:鱼能在极地海洋中悠游是归因于其血液中的抗冻蛋白质,贻贝能攀附在岩石上乃因它们发展出了能在水中运作的分子黏胶,而这只是众多例子中的几个而已。

生命化学精彩的地方在于它被设计在基因的程式码中,让它能被遗传且持续进化。一个小小的基因随机变化就能改变相关化学反应,虽然有时会让生物体变弱,但也有可能让生命体变强。随着生命化学缓慢的发展,地球上的生命变得愈来愈複杂。

这个过程现在已经演化出了三个非常複杂且具有能掌控演化的能力的人类个体。2018年的诺贝尔化学奖颁给这三位科学家,乃因为她/他们透过定向演化革新了化学以及新药物的发展(图一)。让我们先从酵素工程的明星:Fances H. Arnold (阿诺)开始介绍。

【2018年诺贝尔化学奖特别报导】化学的(革命性)进化

图一 2018的诺贝尔化学奖得主们能控制演化,在她/他们的实验室中持续开拓前进

酵素 ─ 生命的化学工具中之利器

身为一位刚取得机械与航太工程学位的新鲜人,1979年的阿诺怀抱一个憧憬:透过新科技的发展以谋求人类的福祉。那时的美国已经决定在2000年要有20% 的能量是来自于再生能源,而阿诺刚好是在研究太阳能;不过这个产业的未来前景在1981年的总统大选后产生了巨大的改变,因此她只好将眼光改投注于新兴的DNA (去氧核糖核酸)科技。她説:”显然地,对于我们每日生活上所需要的材料和化学品,可以利用改写生命密码的能力来创造新的製造方法。”

用传统方式製造药物、塑胶和其它化学品需要使用强力的溶剂、重金属和具腐蚀性的酸。阿诺的构想是捨弃这些方法而改用生命的化学工具:酵素。酵素催化在地球生物体中发生的化学反应,如果能掌握设计新酵素的方法,就可从根本改造化学。

人的思考是有限的

刚开始时和在1980年代末期的许多其他学者一样,阿诺企图使用推理的策略来重塑酵素分子结构,让它们具有新的性质。然而酵素是极端複杂的分子,它们是由20种不同的单元结构 – 胺基酸 – 以几乎无限种可能的组合方式结合而成的。一个单一的酵素分子可以包含数千个胺基酸,它们连结成长链的型态,进一步摺叠成三维的立体结构,具有催化特定化学反应的局部结构,只是完整酵素结构的内部一小部分。

运用逻辑推导来决定如何将这一个精密的构造重新调整,藉以赋予其新的功能,即便是运用现在的知识以及电脑能力来看,亦是非常困难。在1990年代初期,阿诺决定放弃上述她所谓“有些傲慢”的策略,谦卑的折服在大自然的优越能力之下,取而代之,她新的灵感来自于使用大自然优化化学的方法:演化。

阿诺开始操弄演化

有好些年她试图改变一个称为”枯草桿菌蛋白酶”的酵素,让它在非水溶液中催化化学反应,而是在有机溶剂:二甲基甲醯胺(简称DMF)中运作。她刻意在酵素的基因密码中製造随机的变化-突变,然后将这些突变的基因引入细菌中,产出数千种不同变体的枯草桿菌蛋白酶

接下来的挑战是:如何从如此众多的变体中,找出在该有机溶剂中运作效率最高的酵素。从演化学的观点来看就是适者生存;在定向演化学中,这个阶段称为”选汰”。

阿诺利用枯草桿菌蛋白酶能切割一种牛奶蛋白质(酪蛋白)的能力,在35% DMF 水溶液中,先选汰出切割酪蛋白最有效率的枯草桿菌蛋白酶变体,接着在这个变体中进行下一轮的随机突变,得到另一个在有机溶剂DMF中运作效率更高的变体(图二)。

于第三代的枯草桿菌蛋白酶中她找到了一个变体,其在DMF中的运作效率比原始的酵素要高256倍。这个酵素的变体总共含有十个不同位置的突变,最终造成的优异效果远超过任何预测。

透过这些实验,阿诺展示了若要掌控新酵素的研发,仅凭藉人的推理能力,远逊于让自然机率以及定向(人为)选汰来运作的力量。这是我们现在所见证的第一个革命性发展,也是最具决定性的一步。

接下来的另一重要步伐,是由一位荷兰研究人员及发明家 Willem P. C. Stemmer (史坦姆)迈出的,但他已于2013年过世。他引进了另一个酵素定向选汰的维度:试管中的交配。

交配 ─ 为了更稳定的演化

一个自然演化的先决条件是不同个体的基因可透过例如交配或授粉的方式混合,有用的性质可藉此结合而得到更强壮的生物体,在此同时,较不具功能的基因突变,将于代代相传的过程中消失。

【2018年诺贝尔化学奖特别报导】化学的(革命性)进化

图二 定向选汰背后的运作原理:在数个定向选汰的轮迴之后,一个酵素可能增加数千倍的效率

史坦姆运用的是交配的试管对等法:DNA改组(DNA shuffling),在1994年他展示了可以将一个基因的不同版本切割成一些小的片段,然后透过DNA科技的一些工具,将这些片段重新组合成一个完整的基因,就好像在做原始基因的一个马赛克拼图版。

史坦姆透过好几轮的DNA改组,将一个酵素改变成比原始版本更有效率。这显示利用基因的交配 – 研究人员称之为”重组” – 可达成更有效率的酵素演化。

新酵素製出永续生质燃料

那些DNA科技的工具自1990年代初期开始不断的优化,用于定向演化的方法亦倍数成长,阿诺在这些发展中一直具有领先的优势;现在她的实验室所产出的酵素能催化的化学反应,甚至于根本不存于大自然中,进而製造出全新的材料。她裁製出的一些酵素也成为製造不同物质,例如一些药物,的重要工具。化学反应不但可被加速,同时减少不要的副产物,在某些例子中,甚至可以避免使用传统方法所需的重金属,大幅减少对环境的冲击。

有趣的是,事情的发展竟回到了阿诺研究的原点:再生能源的製造。她的研究小组研发出一些酵素,能将一些简单的糖转化成异丁醇,那是一种具有高能量的物质,可用于製造生质燃料和较永续的塑胶。用阿诺的蛋白质所製造的另类燃料,未来或许能用在车辆或飞机上,长程目标是製造出的燃料能让运输业更为环境友善。她的酵素促成了一个更永续的世界。

至于2018年诺贝尔化学奖所表彰的另一份工作,则是将定向演化导向了製药;所产出的药物能中和毒素,或对抗自体免疫疾病的进展,甚至于在某些病例中治癒转移的癌症。这个重要角色由能感染细菌的小小病毒扮演,而这个方法被称为”噬菌体显示” (phage display)。

史密斯运用噬菌体

科学总是走在一条无法预测的路径上。1980年代的上半期,当史密斯开始使用噬菌体 ,一个能感染细菌的病毒,应用在基因选殖研究上。此时DNA科技仍未成熟,而人类基因体仍是一块未开发的土地,研究人员知道製造身体所需蛋白质的所有基因都存于其中,但是想要指认某一个蛋白质的基因,就好像在大海中捞针一样困难。不论如何,对能找到那个基因的科学家将获得极大利益。运用当时最新的基因学工具,将基因插入细菌中 – 靠着一点运气 – 该细菌能製造出大量想要研究的蛋白质,这整个程序被称为基因选殖。而史密斯的想法是,或许寻找基因的研究人员可以透过一个巧妙的方式,运用噬菌体来进行。

噬菌体 ─ 一个蛋白质与其未知基因的连结

噬菌体基本构造很简单,它有一个由保护蛋白质形成的鞘膜,鞘膜中封装一小段的基因物质;当进行複製时,噬菌体将它的基因物质注入细菌中,绑架细菌的代谢系统,接着利用细菌製造出噬菌体基因物质的拷贝,以及形成保护鞘膜需要的蛋白质,由此产生新的噬菌体。

史密斯的盘算是研究人员应可运用噬菌体的简单构造,找出一个已知蛋白质的未知基因。当时已经有一些大型的分子库存在,其内含有许多各种未知基因的片段。他的构想是:这些未知基因的片段可与形成噬菌体鞘膜的一个蛋白质的基因融合,当新的噬菌体製造出来时,这个未知基因对应的蛋白质就会出现在这个噬菌体的表面,与形成鞘膜的蛋白质结合在一起(图三)。

【2018年诺贝尔化学奖特别报导】化学的(革命性)进化

图三 噬菌体显示法 – 史密斯发展的这个方法用于寻找已知蛋白的基因

抗体可钓出正确的蛋白质

这个做法会导致产生一个带有许多不同的蛋白质于其表面噬菌体的混合物。史密斯推论在下一个阶段,研究者应能利用抗体,将带有各种已知蛋白质的噬菌体自这碗汤液中钓出。抗体是一些具有导向飞弹功能的蛋白质;它们能从数万种蛋白质中以高度的精準度,辨识并束缚住一个特定蛋白质。利用一个已知蛋白质的抗体,如果研究者能逮住一个自这碗汤液中钓出的东西,就可以顺带的钓出这个蛋白质对应的未知基因。

这是一个漂亮的构想,而史密斯于1985年证实可行性。他製造出了一个噬菌体,其表面携带了一个蛋白质的部份胜肽,运用一个抗体,成功的将这一个他製造的噬菌体,由含有许多不同噬菌体的汤液中钓出。

透过这个实验,史密斯建立了现在被称为”噬菌体显示法”的基石。此法的精采处在于它的简便,它的长处则是将噬菌体当成一个蛋白质与它的基因之连结。不过此法却在基因複製的领域之外取得其最主要的突破性进展。1990年前后,几组研究人员开始运用噬菌体显示法来发展新的生物分子。其中一个採用此技术的人就是Gregory P. Winter (温特)。感谢他的研究,使得噬菌体显示法现在带给人类更大的福祉,为了了解其原因,我们需要对抗体有进一步的认识。

抗体可遏阻疾病的进展

人类的淋巴系统具有能产生数十万种不同抗体的细胞,在这一个发展完善的体系中,这些细胞通过检验不会攻击任何属于身体之各种型态的分子。不过这些淋巴细胞需要确保有种类数目庞大抗体中,至少有一种抗体能附着在感染我们的病毒或细菌之上,一旦抗体附着在上面,就会传送讯号给强悍的免疫细胞,赶来消灭入侵者。

因为抗体具有高度的选择性,在数万种分子中只会附着在一个特定分子上,因此研究人员很早就希望设计抗体,能遏阻各种疾病在体内的进展,扮演药物般的功能。最初为取得这些医疗用的抗体,是将各种药物的标的物,例如癌细胞的蛋白质,注入老鼠体内。不过在1980年代,愈来愈清楚的知道此法的侷限性;某些物质对老鼠是有毒的,但也有一些不会产生任何的抗体。更进一步的研究发现,这种方式取得的抗体会被病人的免疫系统视为异物而被攻击,导致这些老鼠抗体被破坏,为病人带来危险的副作用。

由于这个障碍,促使温特开始研究史密斯的噬菌体显示法可能具有的潜力。他想发展基于人类抗体的药物要避免使用老鼠,才可能被我们的免疫系统所容忍。

温特将抗体置于噬菌体的表面

抗体是具有Y-字形的分子;靠着每只手臂的远端附着在外来物质之上。温特将此部分的基因讯息与噬菌体鞘膜的一个蛋白质基因融合,于1990年他成功的证实此法让抗体的结合部位出现在噬菌体的表面。他所用的抗体是设计来与一个称为phOx的小分子结合,当温特用phOx作为一种分子钓鱼鈎,他成功的从一含有四百万个其它噬菌体的汤液中,钓出那个含有抗体在其表面的噬菌体。

在这之后,温特展示了他能将噬菌体显示法运用于抗体的定向演化。他製造了一个噬菌体库,其内包括数十亿不同的抗体表现在噬菌体的表面,从这个库藏中他钓出了一些可与不同蛋白质标的结合的抗体,接着他随机的突变这第一代的抗体菌株,进而创造出一个新的噬菌体库,从中找到与标的物具有更强结合力的抗体。例如在1994年他用此法发展出了一些抗体,能以非常高的专一性与癌细胞结合。

世界上第一个基于人类抗体的药物

基于抗体的噬菌体显示法,温特与他的研究同仁创立了一家公司,在1990年代它发展出一个完全基于人类抗体的药物:adalimumab,此抗体能中和一个称为TNF-alpha的蛋白质,该蛋白质驱动许多自体免疫疾病的发炎反应。于2002年此药物被核准医治风湿性关节炎,现在亦用于治疗不同型态的牛皮癣和发炎性肠疾。

药物adalimumab 的成功,刺激了製药业的重要发展,而噬菌体显示法已被用来製造包括癌症在内的各种疾病抗体。其中有一个抗体能让体内的杀手细胞释出以攻击肿瘤细胞,使肿瘤生长迟缓下来。在某些例子中甚至于那些产生转移的癌症病患能被治癒,成为癌症医疗的历史性突破。另一个抗体药物被核准用于中和造成炭疽病的细菌毒物,另一种药物能减缓称为狼疮的自体免疫疾病;另有更多的抗体现在正在进行临床实验,例如用来对抗阿兹海默症。

【2018年诺贝尔化学奖特别报导】化学的(革命性)进化

图四 运用噬菌体显示法来进行抗体的定向演化的背后原理,此法用于製造新药

一个化学新时代的开始

由2018年的诺贝尔化学奖得主们所开发的方法,现在正以跨国际的方式发展,来提升一个更为永续的化学产业,产出新的材料,製造永续的生质燃料,减轻疾病挽回生命。酵素的定向演化和抗体的噬菌体显示法让阿诺史密斯温特带给人类最大的福祉,并为化学的革命性变化立下基石。


本文译自诺贝尔化学奖委员会公布给大众的新闻稿,原文可自以下官方网站取得:

https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/2018/popular-information/

若有兴趣阅读进阶的资料,请由下列网址取得:

https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/2018/advanced-information/

*译者简介:

*蔡蕴明现为台大化学系名誉教授。

*感谢台大化学系的蔡明轩帮忙将此文放上化学系的网页。另感谢曹一允博士在第一时间对我的初稿提出之意见与讨论。

上一篇:
下一篇: