【諾貝爾 2018】促進生質能和新藥開發,化學獎頒給蛋白質演化研究及基因工程工具

作者 | 發布日期 2018 年 10 月 04 日 1:32 | 分類 生物科技 , 科技教育 follow us in feedly

2018 年諾貝爾化學獎出爐,由英國科學家 Sir Gregory P. Winter 和兩位美國科學家 Frances H. Arnold 及 George P. Smith 獲得,3 位科學家將分享由瑞典皇家科學院(Royal Swedish Academy of Sciences)所頒發的 900 萬瑞典克朗(相當於新台幣 3 千多萬元)獎金。3 位得獎者的研究藉由模擬自然界的演化過程,最終促進新燃料和藥物的開發,並進一步推動醫療和環境的進步。



「酵素工程這個領域一直在等待諾貝爾獎的降臨。」倫敦大學學院的生物化學工程和生物科技學教授 Paul Dalby 表示。

▲ 瑞典皇家學院公布的得獎者的海報,表彰他們在酵素定向演化,以及肽(peptide)和抗體(antibody)的噬菌體展示技術。

獎項獎金的一半由來自加州理工學院(California Institute of Technology)的 Arnold 獲得。Arnold 是第五位獲得諾貝爾化學獎的女性,也是研究定向演化(directed evolution)的先驅之一。

定向演化是蛋白質工程使用的一種方法,它能模擬自然界篩選的過程,培育出研究人員感興趣或技術上有用的蛋白質。過程包括誘發基因經歷迭代輪次的突變(mutagenesis),接著篩選出帶有所需特徵的蛋白質(selection ),最後進行擴增(amplification)。

▲ 在酵素的基因中引進隨機突變,來模擬大自然篩選的過程。

簡而言之,Arnold 將隨機的突變基因引入酵素中,然後看看這些突變能對酵素造成什麼影響。接著,篩選出有效用的特定突變,例如:突變使得酵素能在原先無法起作用的溶劑中進行催化反應。她進一步重複這個過程,並將突變基因再次引入這些篩選出的酵素中。

「當我開始發表論文證明我可以製造更穩定的酵素、我可以改變酵素的受質特異性(substrate specificity)、我可以讓酵素更活躍時,這些都是沒有人知道該怎麼做的事情。」Arnold 表示。

Arnold 更說道:「25 年前,這被視為是瘋狂的想法。沒有科學家這麼做,也沒有男人這麼做。但由於我是工程師且不是男人,所以我無所顧忌地投入去做它。」

Arnold 的研究為各種領域提供適合的酵素,包括生物燃料的開發和藥物的生產,並有效減少許多有毒催化劑的使用機會。

「人們已經在工業中使用某些酵素,但只有那些能在自然界中被找到,並恰巧品質夠好的酵素。這些酵素並不是很多,而且還帶有不少問題。」Dalby 說。

「Arnold 提出她的研究成果後,我們便能有效地調整酵素,在工業環境中發揮更好的效果。」

「我們預期它的最終成效是,將原本在自然中需要花上十億年或百萬年的進展過程,降低到可能不到一週的時間。」

該獎項的另一半則要歸功於 Winter 和 Smith 在「肽(peptide)和抗體(antibody)的噬菌體展示(phage display)」的研究。噬菌體是一種可以感染細菌並誘使細菌繁殖的病毒。密蘇里大學的Smith發現,修改噬菌體的遺傳物質可以改變貼附在其外部的分子。

▲ 運用噬菌體展示技術,科學家能透過基因工程讓噬菌體攜帶特定蛋白質,以探索這些蛋白質如何與特定目標相互作用。

Smith 意識到這個特徵可能很好用,例如:如果不知道某段特定基因會製造出什麼蛋白質,便能該基因植入噬菌體的 DNA 中,這個未知蛋白質將出現在噬菌體的表面並被識別。這也意味著科學家們可以將大量未知的基因片段植入噬菌體,看看是否能產生任何一種已知的蛋白質,進而確定哪些基因對應到哪種蛋白質。

該方法還為科學家們開啟另一扇大門,那就是透過基因工程讓噬菌體攜帶特定蛋白質,以探索這些蛋白質如何與特定目標相互作用。

今天,噬菌體展示已經產生了可以中和毒素,抵抗自身免疫疾病和治愈轉移性癌症的抗體。

Winter 的研究方向是將各種抗體結合位(antibody binding site)的 DNA 植入噬菌體中,使噬菌體在表面呈現抗體。這意味著它可以透過篩選噬菌體,來找到與特定分子間有最佳反應作用的抗體。

Winter 能使用該噬菌體展示法來生產新藥,為癌症、自體免疫疾病等等提供治療。其中已開發出的一種新藥是 adalimumab,能治療類風濕性關節炎、牛皮癬和炎症性腸病的抗體藥物。

「現今幾乎所有的現代療法都是抗體藥物,都能利用噬菌體展示這樣的技術,」Dalby 說。「這完全是開創性的研究,如果 Smith 沒有首先發展噬菌體展示法,這可能永遠不會發生。」

在 2016 年的一次採訪中,Winter 向他的第一位癌症患者承認他不知道抗體治療是否有效。而事實上,那次的治療結果相當成功,一個巨大的腫瘤消失了。這場勝利讓劍橋分子生物學實驗室的研究人員總共獲得 12 個諾貝爾獎。

這 3 位諾貝爾獎得主的貢獻,將為日常生活中許多領域帶來改善,包括醫藥產業、生質燃料、綠色催化劑等等。受到各界科學家的大力讚揚。

(圖片來源:瑞典皇家科學院)