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2018年诺贝尔化学奖颁给Frances H Arnold等人,表彰他们实现酶的定向演化和多肽和抗体的噬菌体呈现技术

来源(化学加)   2018-10-08
导读:2018年诺贝尔化学奖一半颁给Frances H Arnold,奖励她实现了酶的定向演化;另一半颁发给George P Smith和Gregory P Winter,奖励他们实现了多肽和抗体的噬菌体呈现技术。

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The power of evolution is revealed through the diversity of life. The 2018 Nobel Laureates in Chemistry have taken control of evolution and used it for purposes that bring the greatest benefit to humankind. Enzymes produced through directed evolution are used to manufacture everything from biofuels to pharmaceuticals. Antibodies evolved using a method called phage display can combat autoimmune diseases and in some cases cure metastatic cancer. Since the first seeds of life arose around 3.7 billion years ago, almost every crevice on Earth has filled with different organisms. Life has spread to hot springs, deep oceans and dry deserts, all because evolution has solved a number of chemical problems. Life’s chemical tools – proteins – have been optimised, changed and renewed, creating incredible diversity. This year’s Nobel Laureates in Chemistry have been inspired by the power of evolution and used the same principles – genetic change and selection – to develop proteins that solve mankind’s chemical problems. One half of this year’s Nobel Prize in Chemistry is awarded to Frances H. Arnold. In 1993, she conducted the first directed evolution of enzymes, which are proteins that catalyse chemical reactions. Since then, she has refined the methods that are now routinely used to develop new catalysts. The uses of Frances Arnold’s enzymes include more environmentally friendly manufacturing of chemical substances, such as pharmaceuticals, and the production of renewable fuels for a greener transport sector. The other half of this year’s Nobel Prize in Chemistry is shared by George P. Smith and Sir Gregory P. Winter. In 1985, George Smith developed an elegant method known as phage display, where a bacteriophage – a virus that infects bacteria – can be used to evolve new proteins. Gregory Winter used phage display for the directed evolution of antibodies, with the aim of producing new pharmaceuticals. The first one based on this method, adalimumab, was approved in 2002 and is used for rheumatoid arthritis, psoriasis and inflammatory bowel diseases. Since then, phage display has produced antibodies that can neutralise toxins, counteract autoimmune diseases and cure metastatic cancer. We are in the early days of directed evolution’s revolution which, in many different ways, is bringing and will bring the greatest benefit to humankind. (机器翻译:通过生活的多样性揭示了进化的力量。 2018年诺贝尔化学奖获得者控制了进化,并将其用于为人类带来最大利益的目的。通过定向进化产生的酶用于制造从生物燃料到药物的所有物质。使用称为噬菌体展示的方法进化的抗体可以对抗自身免疫疾病,并且在一些情况下治愈转移性癌症。自从生命的第一颗种子出现在大约37亿年前,地球上几乎每个缝隙都充满了不同的生物。生命已经蔓延到温泉,深海和干燥的沙漠,这一切都是因为进化已经解决了许多化学问题。生命的化学工具 - 蛋白质 - 已经过优化,改变和更新,创造了令人难以置信的多样性。今年的诺贝尔化学奖获得者受到进化力量的启发,并使用相同的原理 - 遗传变化和选择 - 来开发解决人类化学问题的蛋白质。今年诺贝尔化学奖的一半奖授予Frances H. Arnold。 1993年,她进行了酶的第一次定向进化,这是一种催化化学反应的蛋白质。从那时起,她已经改进了现在常用于开发新催化剂的方法。 Frances Arnold酶的用途包括更环保的化学物质制造,如药品,以及为更环保的运输部门生产可再生燃料。今年的另一半诺贝尔化学奖由George P. Smith和Sir Gregory P. Winter共同分享。 1985年,乔治史密斯开发了一种称为噬菌体展示的优雅方法,其中噬菌体 - 一种感染细菌的病毒 - 可用于进化新蛋白质。 Gregory Winter使用噬菌体展示进行抗体的定向进化,目的是生产新的药物。第一种基于这种方法的阿达木单抗于2002年获得批准,用于治疗类风湿性关节炎,牛皮癣和炎症性肠病。从那时起,噬菌体展示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。我们处于直接进化革命的早期阶段,它以多种不同的方式带来并将为人类带来最大的利益。)

Frances H. Arnold, 1956年出生于美国匹兹堡。博士 1985年,美国加州大学伯克利分校。 Linus Pauling美国加州理工学院化学工程,生物工程和生物化学教授,美国帕萨迪纳. http://fhalab.caltech.edu 

George P. Smith, 1941年出生于美国诺沃克。博士 1970年,哈佛大学,剑桥,美国哥伦比亚密苏里大学生物科学荣誉教授。http://biology.missouri.edu/people/?person=94 

Sir Gregory P. Winter, 1951年出生于英国莱斯特。博士 1976.英国剑桥大学。 研究负责人,英国剑桥分子生物学MRC实验室。 www2.mrc-lmb.cam.ac.uk/group-leaders/emeritus/greg-winter/

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地球的生命经过长期进化最终获得强大的适应力,散布于各种严酷环境,包括热温泉、深海以及沙漠等。如果能够借助进化的力量,我们在化工、医学等众多领域中遇到的难题也就迎刃而解。

  美国科学家弗朗西丝·阿诺德、乔治·史密斯以及英国科学家格雷戈里·温特正是基于相同理念,在实验室模拟自然进化,通过不同途径释放进化的力量,获得了瞩目成果,他们也因此被授予2018年诺贝尔化学奖。

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人进化

  在全球发展清洁能源的过程中,成本与高效、清洁一直存在矛盾,传统的方法已很难适应发展,需要研究人员找到新方法来实现这一目标。阿诺德并没有把希望寄托在传统化学方法上,而是将目光投向了酶。酶是由活细胞产生的、对其底物具有高度特异性和高度催化效能的蛋白质或RNA,是一类重要的生物催化剂。

  中国教育部长江学者特聘教授、华南理工大学生物科学与工程学院院长林章凛曾在阿诺德的实验室担任博士后。他接受新华社记者采访时说,阿诺德的巨大原创性贡献在于,改变原先人类希望理性设计生物分子的想法,提出在实验室中模拟自然界的自然进化,通过随机突变、随机杂交,再加以适当规模的筛选或者选择,来进化出新的生物分子。

  “这对于生物化学界来说,是一种哲学和方法学的巨大贡献。”林章凛说。

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酶的进化

  阿诺德在1993年完成了首个酶的定向演化实验,首次实现了她的理论。经过多年发展,阿诺德的实验室生成的酶已经能够催化那些自然界中都不存在的化学反应,从而制造出全新材料。她的这些“量身定制”酶如今已是包括药物在内许多材料制作的重要工具,它在生产过程中能避免产生许多污染环境的副产物。

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噬菌体

  与阿诺德分享今年诺贝尔化学奖的史密斯则研发了一种名为噬菌体展示的新技术。他利用了一种能感染细菌的病毒噬菌体,将外源蛋白或多肽的DNA序列插入到噬菌体外壳蛋白结构基因的适当位置,使外源基因随外壳蛋白的表达而表达,同时,外源蛋白随噬菌体的重新组装而展示到噬菌体表面。这种技术可应用于研究与蛋白质相互作用的配体,以及进行蛋白质演化等。

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抗体进化

  温特将史密斯的这项技术用于抗体的定向演化,以便提升它们在疾病治疗方面的一些特性。基于这种新技术开发的药物已在2002年获得相关批准,可用于类风湿性关节炎等疾病的治疗。

  诺贝尔化学奖评选委员会成员彼得·绍姆福伊接受新华社记者采访时说,基于史密斯和温特研究成果开发出的全新抗体能够有效用于人体,如今许多畅销药品问世都有他们的功劳。

文:新华社斯德哥尔摩10月3日电 科普:用进化的力量解决化学问题——解读2018年诺贝尔化学奖成果 新华社记者 张家伟 付一鸣

图:https://www.nobelprize.org/