2018年诺贝尔化学奖:酶的定向进化技术与噬菌体技术

【字体: 时间:2018年10月08日 来源:生物通

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  10月,2018年度诺贝尔化学奖揭晓。今年该奖项的获得者是美国科学家弗朗西丝·阿诺德(Frances H. Arnoid)、乔治·史密斯(George P. Smith)和英国科学家格雷戈里·温特(Sir Gregory P. Winter)。

  

10月,2018年度诺贝尔化学奖揭晓。今年该奖项的获得者是美国科学家弗朗西丝·阿诺德(Frances H. Arnoid)、乔治·史密斯(George P. Smith)和英国科学家格雷戈里·温特(Sir Gregory P. Winter)。他们的获奖理由是在酶的定向演化以及用于多肽和抗体的噬菌体展示技术方面取得的成果。

Frances H. Arnoid从1993年起,进行了酶的第一次定向进化,这是一种催化化学反应蛋白质。她的方法经常用于开发新催化剂,用这种方法产生的酶,用途包括开发更环保的化学物质、药品以及为运输部门生产更环保的可再生燃料。

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,因此是一类重要的生物催化剂。1993年Arnoid完成了首个酶的定向演化实验,也就是首次实现了她的理论,此后她不断完善这个方法,现在已能用于开发新的催化剂。基于Arnoid的研究成果,业界可以通过更环保的方式来制造化学物质,比如生产药物和可再生能源等。

另外两名获奖者——George P. Smith和Sir Gregory P. Winter则因为开发了噬菌体展示的方法,来进行抗体的定向进化,进而生产新的药物。第一种基于这种方法的阿达木单抗已在2002年获批,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转移性癌症的抗体。

1985年,Smith开发出了一种被称为“噬菌体呈现”的技术,该方法基于专门感染细菌的噬菌体病毒。这些病毒本身只不过是包裹着遗传物质的蛋白质胶囊。通过将基因导入噬菌体,Smith可以在噬菌体中演化出新型蛋白质。Winter则应用噬菌体呈现技术制造出药物抗体。抗体是我们的免疫细胞用来识别其他细胞的标签分子。

瑞典皇家科学院认为,“我们正处于直接进化革命的早期阶段,它以多种不同方式为人类带来最大利益”。

成果回顾:

世界首个人工酶

英国医学研究委员会的科学家们生成了世界上第一个由人工遗传物质制成的酶。他们的合成酶,是由自然界中不会产生的分子制成,能够在实验室引发化学反应。

这些结果基于MRC分子生物学实验室以前的工作,他们生成了称为“XNAs”的合成分子,这些分子能够以类似DNA的方式储存和传递遗传物质。

该研究小组用实验室自制的XNAs作为构建模块,制备了“XNAzymes”,它能引发简单的反应,例如切割或缝合小片段RNA,就像天然酶一样。

MRC 分子生物学实验室的Philipp Holliger博士带领了这项研究,他说:“地球上所有生命都依赖于一系列的化学反应,从消化食物到在细胞中制造DNA。这些反应大多数在环境温度和压力下发生的太过迟缓,需要酶来启动或‘催化’这个过程。”

首个人工金属酶

来自巴塞尔大学、苏黎世联邦理工大学和NCCR分子系统工程的科学家,开发了一种人工金属酶,可催化细胞内的反应,在大自然中没有等价物。这可能是“在活细胞内创建新的非自然代谢途径”的最好例子。

这种人工金属酶,称为biot-Ru-SAV,是采用生物素-链亲和素技术制备而成的。这种方法依赖于蛋白质链霉亲和素对维生素生物素的高亲和力,其中结合生物素的化合物可以被引入到蛋白质,以产生人工酶。在这项研究中,作者介绍了一种金属有机化合物,它的底部有金属钌。有机金属化合物在一个金属原子和一个碳原子之间至少有一个键,通常用于工业化学反应的催化剂。然而,如果真起作用的话,有机金属催化剂在水溶液中或细胞环境中的表现并不佳,需要被合并到像链霉亲和素这样的蛋白支架,来克服这些局限。

该研究的资深作者、巴塞尔大学化学系教授Thomas R Ward说:“我们的目标是制备一种人工金属酶,可以催化烯烃复分解反应,这是不存在于天然酶当中的一种反应机制。”烯烃复分解反应是一种方法,用于碳碳双键的形成和再分配,碳碳双键被广泛用于各种化学产品的实验室研究和大规模工业生产。Biot-Ru-SAV可催化一种关环复分解反应,以生产一种易于检测和定量荧光分子。

活细胞内的环境难以实现有机金属酶的正常运作。苏黎世联邦理工大学生物系统科学与工程系的Markus Jeschek说:“主要的突破是,‘使用大肠杆菌的周质作为反应室’的这个想法,其环境更适合于烯烃复分解催化剂。”周质——革兰氏阴性菌的内细胞膜和细菌外膜之间的间隙,含有低浓度的金属酶抑制剂,如谷胱甘肽。

作者发现在体内条件下是理想的,之后又进了一步,决定通过采用定向进化原则——这种方法模拟自然选择的过程来进化出性能或活性增强的蛋白质,来优化biot-Ru-SAV。Ward解释说:“然后,我们可以开发一种简单和可靠的筛选方法,可让我们测试几千个biot-Ru-SAV突变体,并识别最活跃的变种。”

作者不仅能显著改善biot-Ru-SAV的催化特性,而且也表明,这种有机金属基酶可以被设计和优化成不同的底物,从而产生各种不同的化学产品。Ward说:“这一结果令人兴奋的地方在于,像biot-Ru-SAV这样的人工金属酶,可用于生产新的高附加值化学品。它有很多的潜力,可结合化学和生物学工具,最终利用细胞作为分子工厂。”

有益的噬菌体组

长期以来科学家们总在怀疑,人体内的噬菌体组(phageome)是不是能通过调节我们的免疫系统影响人类生理。直到最近,澳大利亚莫纳什大学噬菌体研究员Jeremy Barr团队在mBio发表文章证明“的确如此”。

过去几十年,大多数有关噬菌体的医学研究都集中在努力将这些微生物转化为“抗生素”,其中一些已经取得了成功。不过,跳出抗生素圈子,作为一门独立的治疗方法,“噬菌体疗法”正在崛起。

Barr的早期研究表明,噬菌体的自然属性有助于保护我们免受病原体侵害。在调查了不同物种后,Barr发现,粘液层中噬菌体数量明显增多。原来,噬菌体的蛋白质外壳能结合粘蛋白(mucins)。粘蛋白和水共同构成粘液。

这对生产粘液的主人和噬菌体都有好处。吸附在粘液上,让噬菌体有机会遇到更多细菌。噬菌体能保护细胞免受潜在细菌病原体侵害,为机体提供额外的免疫层。

体外培养的上皮细胞实验表明,人类细胞能吸收噬菌体并将它们传送至细胞内部。运输机制尚不明确。

(生物通)





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