什么技术值百万美金？

——生化学家荣获千禧技术奖

2016年的千禧技术奖花落美国生物化学家Frances Arnold，以表彰她在推进定向进化技术方面所作出的贡献，Arnold也是目前为止第一位获奖女性。5月24日芬兰总统为她亲自颁奖，她将获得100万欧元(112万美元)的奖励 。

　　

生物通报道：世界最大的科技奖项“千禧技术奖”（Millennium Technology Prize）是由芬兰技术学院评选出来，用以表彰对于科技贡献的重要奖项，相比于诺贝尔奖侧重于对科学的贡献，千禧技术奖则主要专注于表彰在技术方面的成就，首位获奖者是万维网(WWW)的最早开发者Tim Berners-Lee。

2016年的千禧技术奖花落美国生物化学家Frances Arnold，以表彰她在推进定向进化法方面所作出的贡献，Arnold也是目前为止第一位获奖女性。5月24日芬兰总统为她亲自颁奖，她将获得100万欧元(112万美元)的奖励 。

Arnold表示，“对我来说，进化是时间长河里最好的设计师，从中我找到了它设计的运算规则，也就是对人类有用的新生物代码”。

Arnold博士1956年生于美国，现任美国加州理工学院教授，她在上个世纪90年代，与另外一位科学家开创性地借助分子生物学的方法，通过体外模拟达尔文进化，快速而广泛的改变了生物催化剂。

这就是被称为定向进化的技术，这种技术能在实验室中模拟自然界进化，创造出更好的蛋白，而且定向进化技术目前已经被用来解决许多重要问题，可以替代效率较低、甚至具有危害性的技术。

什么是定向进化技术

定向进化（orthogenesis）是由T．Eimer在1885年提出来的一种进化学说，即认为如果将某种动物按它们出现地方由古老到新的顺序排列起来，则可以看到其形态是朝着一定的方向发生变化的。比如马的进化，随时代的变迁躯体变大、指趾渐减，同时牙齿复杂化等。

定向进化技术就是采用了类似的策略，利用定向进入可以更快速获得结果，大多数情况下只需几轮突变和选择即可。其最初的方法为：将蛋白质中氨基酸的随机突变通过重复循环累积起来，然后选择或筛选所得到的文库，最终得到稳定性更高、底物更专一、手性选择性更好的变体。

DNA改组

DNA改组(DNA shuffling)是目前最方便、有效的一种分子水平的体外定向进化技术，该技术同倾向错误PCR (Error-prone PCR) 相结合，通过对单基因或相关基因家族的靶序列进行多轮随机诱变、重组和高通量的筛选，可以有效富集正突变，去除负突变，提高突变文库的丰度，创造新基因和获得期望功能的蛋白质。

1994年，美国的Stemmer首次提出了DNA改组，经后人的不断创新和改进，这种技术现已发展成为比较完善的技术体系。作为一种高通量的突变和筛选技术，不仅可以实现基因序列的点突变，还可以实现其它突变技术不能实现的基因片段插入、缺失、倒转和整合等，而且可以反复改组，实现突变的优势积累效应。

到目前为止，DNA改组的研究成果主要涉及到以下几个方面：提高蛋白质的功能（酶活，底物特异性，热稳定性和抗体的产量），开发新的代谢途径，医药研究（生物制药、疫苗研制、基因治疗），改变离子通道，改造报告基因和创造新的毒素基因等。

这种技术也不断用于研究蛋白质结构和功能之间的关系，解释生物分子系统进化的重要性，提高蛋白质在极端环境中的适应能力，提高重组蛋白的生物合成能力，提高分子间和蛋白质间的相互作用等。

随着基因工程技术，蛋白质工程技术，高通量筛选技术和生物信息学的迅速发展，DNA改组也许将能开拓更多的应用领域，人们可以在体外大大加快生物进化的速度，创造出一系列具有重要商业价值的基因和蛋白，将会对人们生活的各个领域产生革命性的变革。

蛋白质定向进化

蛋白质定向进化技术其实早期就有了，比如进化一个来源于大肠杆菌的EbgA蛋白,这个酶几乎不具备β-半乳糖苷酶的活性。通过以乳糖为单一碳源的平板上筛选Lac-缺失的大肠菌株,野生型的EbgA就进化成为了具有β-半乳糖苷酶活性的酶。令人惊奇的是，如EbgA一样，酶新功能的进化只需要很少的突变。

这项技术综合了分子生物学的方法和高通量的筛选技术从而使其更具优势，可以简化试验过程，并且能够筛选出即便只有小幅提高目的性状的突变体。

去年斯坦福大学的研究人员开发了一种新技术：µSCALE（Single Cell Analysis and Laser Extraction），能加速蛋白定向进化。这种技术可以帮助研究人员从成百上千个其他细胞中，快速分离出单个想得到的细胞。

作者表示，这是一种令人兴奋的新工具，回答关于蛋白质的重要问题，把µSCALE比作基因分析的高通量工具，可使研究人员能够解开人类疾病背后的生物学相关的关键特征。加速蛋白质进化的新技术

实际应用

Arnold 目前已经和其他人联合成立了一家公司：Gevo，用以开发绿色化学，她的研究组利用定向进化方法开发了一种生产异丁醇的酶，异丁醇是从植物糖中加工出喷气燃料的前体物质。而且这一开发过程也被用于研发更多的新酶，比如能替代II型糖尿病药物Januvia制造过程中一种重金属催化剂的酶。

基础研究方面，ThermoFisher旗下的GeneArt®定向进化服务，主要提供了各种不同的方法形成基因变异。将这种定向进化技术与适当的筛选技术配合使用，可以创造出基因多样性，从而获得具有所需特性的蛋白质。

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（生物通：王蕾）