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诺贝尔化学奖:用于指导进化的原理开发新的酶和抗体

       今年的诺贝尔化学奖授予三位研究人员,他们利用生物进化的原理开发新的酶和抗体。Frances Arnold开发了一种通过改变基因蓝图来定制酶的方法。乔治史密斯和格雷戈里温特爵士使用噬菌体,细菌感染病毒,作为生产新蛋白质和抗体的帮手。

 

       自从大约35亿年前形成第一个活细胞以来,我们星球上的生命一直在稳步发展。随着时间的推移,不仅生物的蓝图变得更加复杂,在细胞水平和新陈代谢的进化也导致了新的分子工具。突变和选择产生越来越多的有效形式,特别是对于蛋白质,细胞机器的“主力”。正是这种细胞层次的进化原理已被三位获奖者所利用。他们使用蓝图修饰和选择的遗传机制来制作量身定制的酶,以及肽和抗体,甚至更好地制造它们。

 

一、来自大自然研讨会的酶

 

       今年诺贝尔医学奖的一半是美国研究员Frances Arnold。先生在20世纪80年代研究过酶的生产。在所有生物和细胞中,这些蛋白质充当生物催化剂。然而,问题是酶非常复杂并且可以由数千种氨基酸组成。它们的类型和三维排列决定了酶发挥的功能。因此,以纯粹的化学方法非常耗时且繁琐的方式从基础构建酶以使其传递所需的化学反应的目的。阿诺德也认识到这一点,并选择了一种新的方法:她没有尝试对现有的酶进行化学适应,但改变了它的生物蓝图—DNA。

 

       她在枯草杆菌蛋白酶的基因代码中引发了随机突变,这可以分解乳蛋白酪蛋白等。他们的目标是:创造这种酶的变体,不仅在水溶液中,而且在有机溶剂中具有这种能力。为此,阿诺德将随机改变的DNA蓝图走私到细菌细胞中,让它们产生酶变体。然后Arnold测试了哪种修饰酶最有效地催化了她想要的反应,并继续用这些DNA变体“繁殖”。成功:她在枯草杆菌蛋白酶的蓝图中发现了10个突变,这使得该酶具有所需的特性。

 

       从那时起,阿诺德开发的基于DNA的新酶变体定向进化方法已成为生物化学的标准方法之一。其中,它现在用于生产用于药物生产,化学工业和生物燃料生产的酶。以前只能通过有毒或昂贵的试剂进行的许多化学反应步骤现在可以通过酶进行,因此更环保并且遵循自然的例子。

 

二、噬菌体作为“蓝图”发现者

 

       今年下半年获得诺贝尔化学奖的George P. Smith和Sir Gregory P. Winter也使用定向进化原理开发新的生物分子。第一步是美国研究员史密斯在20世纪80年代提出的。他正在研究感染细菌的噬菌体,类似病毒的东西。噬菌体不仅仅是一种壳和它们与细菌接触时注入其中的基因组。

 

       这个简单的原理让史密斯想到了在寻找已知蛋白质的遗传蓝图时使用噬菌体作为帮助者的想法。为此,他将未知内容的基因片段与编码噬菌体外壳蛋白的基因组合在一起。然后噬菌体形成包膜蛋白,其还含有由未知基因片段编码的蛋白质部分。现在迈出了关键的一步:史密斯在噬菌体溶液中添加了抗体,这种抗体仅与正在寻找蓝图的蛋白质结合。抗体用噬菌体标记了他,噬菌体携带蛋白质片,因此也带有genschnipsel及其蓝图。

 

三、用噬菌体帮助进行抗体检索

 

       这种噬菌体展示方法使英国人Gregory Winter更进了一步。他意识到噬菌体作为蛋白质和遗传蓝图之间的联系,也可用于寻找用于医学目的的抗体,并通过其DNA代码生成生物技术。为此,Winter使用Smith开发的方法,最初生产了一整个噬菌体文库,每个噬菌体都在其壳上携带不同的抗体。如果现在正在寻找特定蛋白质的抗体,例如癌细胞表面上的受体,则使用噬菌体文库:冬季测试由于其包膜抗体,噬菌体对受体的反应最好。

 

       今天,该方法可用于特异性地开发针对某些疾病的抗体疗法。Winter和他的团队在20世纪90年代生产了第一种完全基于抗体的药物:药物阿达木单抗在2002年被批准为抗类风湿性关节炎,现在用于治疗慢性肠道炎症。从那时起,利用Smith和Winter开发的方法,进一步开发了抗体药物,尤其是抗转移性癌症,自身免疫疾病和毒素。

 

 

原文链接:http://www.bio1000.com/hangye/201810/17110.html

日期:2018-10-18     来源:生物帮