2018 年诺贝尔化学奖「蛋白质进化」在我们生活中实际应用

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随着近代物理的发展，人们逐步开始了解微观领域以及背后支配其运行的规律。对于化学反应的设计与控制也被提上了日程，与此同时，理论与工程也在实践中相互促进。

1901年，第一届Nobel奖就授予了van't Hoff，以表彰其在化学动力学理论的贡献。而后，1912年Sabatier的金属催化加氢反应、1918年Haber的合成氨工业，以及近来的非平衡态热力学、基元反应研究、RNA催化、小分子/过渡金属催化……从宏观到微观，从唯象到实质，人类对化学反应的调节控制越发精细，对分子间相互作用的观测理解也日臻完善，对催化剂的设计改进也向着高效率、多样化、功能化的方向不断发展。

从合成氨得奖的历史进程，便可看出这样的趋势：1918/Haber——合成氨工业、1932/Bosch——反应的改进(Haber-Bosch过程)、2007/Ertl——合成氨催化剂的表面吸附历程，这正是一个从表面到本质，不断深入的研究进展。

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目前，在重化工领域中，诸如合成氨、石油裂解等基于负载催化剂的异相催化反应占据了主导地位。而精细化工和相当多的有机合成工业考虑到有机化学和生物体系的复杂性，以及高效、绿色、节能等目标，催化剂的种类更为丰富多样。从简单的酸和碱，到较为复杂的过渡金属配合物、有机小分子、酶等等，不一而足。其中，目前酶在合成化学中的发展程度远远无法匹及其巨大的潜力。

高中的教科书里，明确地写出了酶的性质——高效性与专一性。

毫无疑问，高效性是酶的最大优势。但酶促反应的高度专一性与底物的普适性相互冲突，极大限制了底物的种类；同时酶本身的结构具有不同程度上的不稳定性(热、酸碱、重金属等)，或者不适合非水溶剂等非生物体系，因而在实际生产过程中会有所限制。

此外，如果可以直接利用改造后的工程微生物，其应用范围可能会更加广泛。因此，在功能导向设计理念的指引下，人们的目光逐渐聚焦在对酶结构的改造与筛选上。

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如果，可以根据所需的反应去设计酶的结构，那么世界将会怎样？

回到这个问题。

有机合成的工作者们会注意到，从生物体中分离出来的天然产物常可划分出若干个相关的系列，其中同系列的化合物具有一定的相似性。而这些系列化合物往往是活体内各种酶催化反应所生成的代谢产物。

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甲羟戊酸(mevalonic acid)的代谢历程与代谢产物

在这些纷繁复杂的代谢产物之中，有很多具有高度张力和复杂结构的分子，其中一部分可能具有一定的生物活性。而这显然对合成工作者造成了相当大的困扰，但也令人联想到酶促反应的巨大可能性。

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刺尾鱼毒素(Maitotoxin)，具有多个环状聚醚结构片段，由东京大学-Harvard联合完成初步的全合成工作

大自然演化至今，生物的个体之间虽然外表各异，但几乎共用了同一套遗传密码，且部分关键的酶(细胞色素类和ATP酶等)的结构也十分接近。但生物体内复杂的天然代谢产物几乎全部来自于生物体内的简单片段的组合与修饰。这些广泛分布于生物体中的部分酶在相关的催化反应中起到了决定性的作用。

有限类型的酶与若干简单底物的组合，可以得到十分复杂而庞大的天然化合物库，这一点提示了人们，酶在改造分子结构上的潜力不可限量。

而Frances Arnold的主要贡献，也就是所谓“定向进化”(directed evolution)，主要内容是快速获得具有高度多样性的酶结构库，并加以高通量筛选过程。从酶结构的来源——DNA入手，通过基因工程的方法，在DNA编码层面上进行高度重组，均匀而高效地获得突变，从而得到一个DNA库；而后经PCR扩增，再进行转录与翻译，即可获得不同形式的多肽链；实验人员再从中筛选出来符合需要的蛋白质，并进一步循环改进，直至符合要求。

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定向进化(directed evolution)操作流程

而在这个过程中，科学家代替了大自然的角色，担负起了“自然选择”的任务，人为淘汰掉效果不佳的蛋白质结构，只保留性能更好的部分用于下一轮“进化”，相当于高度加速后的化学进化历程。

在技术层面上，人们还可进一步通过组合化学和高通量筛选方法，充分挖掘了酶的结构多样性。此外，辅以量子化学的分子动力学计算和神经网络等计算机方法的支持，可以更有效地判断出对催化和稳定性等更为重要的氨基酸位点，因而通过定点突变与进化，有望更快地接近所需酶的结构，甚至可以直接从头设计，获得自然界中不存在的全新生物酶。这想必也是未来重要的发展方向。

在Arnold的开山之作中，一种天然来源的蛋白酶，仅需经过3次定向进化过程和10个突变点，即可形成在一种有机溶剂DMF中也能正常工作的酶，而且其活性比野生型高~250倍。考虑到溶剂极性和氢键等因素对蛋白质构象的微妙影响，可以说进化循环的效率十分显著。

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二甲基甲酰胺(DMF)

而目前的工作，主要集中在广泛存在于各种生物体中的细胞色素类(细胞色素c/P450系)，通过其卟啉环上的Fe催化诸如单氧化和卡宾迁移等类型的反应。

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Cytochrome c (cyt c)

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Cytochrome P450 (CYP450)

在已发表的主要工作中，已经可以实现的有：

改造后的细胞色素c催化C-Si、C-B键的特异性合成，而自然界从未有过实例，其效率与选择性甚至高于现有的有机化学方法，有人认为是研究准“硅基生物”的起点

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细胞色素P450系的催化单氧化与C-H胺化反应，后者在合成方法学领域，往往需要特定的过渡金属催化剂(Buchward-Hartwig反应/C-H活化-胺化反应)，且其立体选择性同样依赖不对称配体，难以企及对应的酶催化反应

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随着定向进化技术的发展，我们有希望借助蛋白质等大分子催化所需的反应，甚至通过导入活体，得到工程微生物，来合成所需的小分子物质。而可利用的催化剂从异相催化到小分子催化、过渡金属配合物，逐步发展到了生物大分子领域，以至于生物本身。

在可预见的未来，合成化学的工具箱里，将会出现各种类型的高效工程酶和工程微生物，如同现有的过渡金属催化配体、有机小分子催化剂和方法学一样。而这如果成为现实，将有可能完全改变现有的药物、医学和精细化工领域。

定向进化的实现，标志着人类不仅可以控制有机、无机小分子的反应，还可以操纵生物大分子的相互作用；不仅可以通过试验寻找催化剂，还可以从原理上理解其机理，甚至可根据所需功能，针对性地创造新的结构与反应。

可以说，人类不仅可以观测微观世界(STM/AFM/冷冻电镜技术等)、操控微粒和细胞(光镊技术)、观测反应历程(交叉分子束/超快激光)，还可以进一步设计与控制生物大分子与反应历程，以至完成了数十亿年来自然进化都没有做到的工作。

与其说是蛋白质的进化，不如说是科技与人类的进步。