北大专家解读：今年的诺贝尔化学奖又给了生物学？

2018诺贝尔化学奖得主、加州理工学院化学与化学工程系教授Frances Arnold

撰文 | 邹鹏（北京大学化学与分子工程学院）

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今年的诺贝尔化学奖授予了“定向分子进化”这一领域，其中加州理工学院的Frances H. Arnold教授由于创立了“酶的定向进化”方法（directed evolution of enzymes）而获得其中一半的奖金。

很多人问：这次化学奖又给了生物学的工作？

准确地说，这是在化学与生物学交叉领域的一项工作。虽然酶的进化过程借用了经典的分子生物学手段，但是进化的目标是为了获取性能优异的化学反应催化剂，从而实现更加精准、可控的有机化学合成。

下面我简要解读一下Arnold教授的工作。

酶是自然界的催化剂，使众多生物化学反应得以在相对温和的条件下，高效而专一地进行。这种催化的精准性正是合成化学家们长期梦寐以求的目标，因为它不仅避免了使用高温高压等严酷的反应条件，还可以极大地减少副产物的出现，提高合成的效率。如果酶的功能可以加以改造，去帮助我们合成那些具有重要价值的化合物（比如抗癌药物、抗生素），那么相比于传统化学合成方法，将有望降低生产成本并减轻对环境的压力。

酶的精准催化能力是自然进化的产物。酶的功能往往与物种的存活与繁衍息息相关，在一代又一代漫长的突变与选择过程中，伴随着适者生存，酶的功能不断得以改进。当一个物种面临外界挑战，它体内的酶甚至可以进化出前所未有的功能，细菌抗药性的产生即是一例。

本次获奖者之一的Arnold教授所开创的定向进化方法，就是在实验室中加速上述的过程：首先通过分子生物学手段创造出具有不同序列的酶突变体文库，再利用筛选平台对酶的活性逐一进行评估，将符合预设条件（活性高、稳定性强等等）的保留下来，其余弃去。这一过程可以不断循环往复，一轮轮提高酶的活性。

Arnold教授课题组于1993年在《美国国家科学院刊》（PNAS）上发表第一篇酶的定向进化工作，经历三轮筛选共计引入10个突变，将枯草杆菌蛋白酶Subtilisin E这个原本在水溶液中发挥功能的酶，改造为能够在有机溶剂二甲基甲酰胺中催化反应，相比于野生型的活性提高250多倍[1]。

继承这一开创性工作，Arnold课题组进一步对多种酶进行了改造，其中最具有特色的是细胞色素P450的进化，使得酶不仅能够适应有机溶剂环境，具有更高热稳定性，还可以接受非天然底物，产生新的催化功能（如环丙化、卡宾和氮宾自由基反应等）。2016年，Arnold课题组甚至进化出了能够催化形成硅-碳键的酶，在效率和立体选择性上也超越了有机合成方法[2]。

在近30年的工作中，Arnold课题组通过驾驭进化的力量，获得了一系列性能优良、对环境无毒无害的酶，被应用于制药行业和生物燃料等领域。

在这些工作中，Arnold教授也发现了一个重要的规律：一些有利突变可以发生在远离酶活性中心的位置，很难通过常规计算方法进行预测[3]。

近年来，随着计算能力的不断提高和蛋白质设计技术的发展，已出现不少成功预测和从头设计全新蛋白质功能的实例。可以预见，在不久的将来，蛋白质理性设计将扮演越来越重要的角色，成为对定向进化技术的有力补充。

邹鹏，北京大学化学与分子工程学院特聘研究员，博士生导师，主要研究方向是化学生物学，目前研究兴趣主要集中在发展和应用化学探针技术，在高时空分辨下研究神经细胞的结构、活性和功能。

参考文献：

1. Chen, K.; Arnold, F. H., Tuning the activity of an enzyme for unusual environments: sequential random mutagenesis of subtilisin E for catalysis in dimethylformamide. Proc Natl Acad Sci U S A1993,90(12), 5618-22.

2. Kan, S. B.; Lewis, R. D.; Chen, K.; Arnold, F. H., Directed evolution of cytochrome c for carbon-silicon bond formation: Bringing silicon to life. Science2016,354(6315), 1048-1051.

3. Arnold, F. H., Directed Evolution: Bringing New Chemistry to Life. Angew Chem Int Ed Engl2018,57(16), 4143-4148.

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