蛋白质工厂：携进化之力，御千军万马

在生命数十亿年的发展历程中，进化起到了至关重要的作用。进化是一种伟大的自然力量，科学家则希望能在实验室里模拟这种力量。

获得2018年诺贝尔化学奖的是两位美国科学家和一位英国科学家。诺贝尔奖委员会在最初宣布该奖项时，用深情而充满诗意的语句告诉大家，3位获奖者的获奖理由是“利用进化的力量”。

大肠杆菌在化学物质的 刺激下定向进化出新酶

噬菌体能很好地把融合的抗体蛋白质展示出来

美国女科学家、加利福尼亚理工学院教授弗朗西丝•阿诺德因在定向进化领域做出的开创性工作而独享一半的奖项。定向进化通过人为模拟进化发生的过程，诱使蛋白质等生物分子的结构发生变化，使之能够实现特定的功能。值得一提的是，她是第五位获得诺贝尔化学奖的女性。

美国科学家乔治•史密斯和英国科学家格雷戈里•温特由于在噬菌体展示技术中的贡献，分享了另一半的奖项。目前，噬菌体展示技术已经成为药物开发的重要工具。

两组获奖成果的本质都是利用生物细胞中内在的生理过程来实现特定的应用目的，而这个生理过程便是细胞在基因控制下合成蛋白质，它是生物体中永不停息的生化过程。那么，这三位科学家是如何利用定向进化技术的力量驾驭亿万微小分子，从而造福于世的呢？

“进化”一词代表了一种向上、向前的趋势，反映到具体的物种身上，就是变得更快、更高、更强、更聪明，或者对某种不利条件具有更加强大的忍耐力。然而，生物体的进化，其内生动力往往是构成生物体的细胞中某些蛋白质的进化。这些进化的蛋白质需要突变的基因来对其进行表达。用生物学的专业说法表述，便是基因突变后，基因对应表达的蛋白质也将发生变化。也就是说，蛋白质的进化实际上也是基因突变后的自然结果。

定向进化是在实验室中快速完成蛋白质的进化进程

例如，澳大利亚的考拉在漫长的进化过程中，形成了以桉树叶为主食的习性，而桉树叶可以产生令绝大多数动物死亡的毒性物质一萜烯。但是，考拉体内与萜烯抗毒相关的基因高度表达，从而令考拉的肾脏可以将萜烯处理成水溶物质排出体外。考拉强健的肾功能，就得益于其中用以分解萜烯的各种酶类在漫长的进化过程中功能不断地得到加强。

定向进化的根本思路是在人工条件下对蛋白质进行反复的变异和淘汰，从而有选择性地制造出所希望的蛋白质。具体来说，首先利用DNA合成技术，建立一个含有多种碱基排列顺序的变异集团（可以认为是一个DNA库），再利用这些DNA转录出与其结构对应的蛋白质，就可以形成一个含有多种蛋白质的蛋白质库。这些蛋白质在实现我们具体设定的目标时，必然有功能强弱之分，之后再优中选精。好比在产品开发过程中，淘汰差的方案，仅仅保留其中的优异分子。

到了这一步，好戏才刚开始。科学家选出某优良蛋白质后，将再实施一遍上述工艺的逆过程，将转录该蛋白质所对应的DNA结构确定下来，然后利用已经非常成熟的PCR技术（PCR技术是模拟体内DNA的天然复制过程，在体外扩增DNA分子的一种分子生物学技术）大量复制该DNA。而且，在这个复制过程中还可能同时再引入适当的变异，以期进一步提高该蛋白质的效能。这一系列的操作完成之后，就可以在极短的时间内完成蛋白质的跃变性进化。

生物体中可以实现某些特定生化过程的蛋白质就是酶（也有生物酶、蛋白酶等多种叫法）。酶是活细胞制造的某些特殊蛋白质（极少数是RNA或DNA）, 它们参与生物体中的一系列生化反应，通过复杂而精妙的机制调控反应进行的速率、方向以及程度等，堪称生物体内的“魔法师”。在人体中，酶通常会直接依据基因记录的遗传信息在细胞内合成。

酶这一类蛋白质在解决某些具体问题时，往往具有无与伦比的效率和能力。它们的功能是如此令人着迷，以至于人类不光希望弄清它们的运作原理，更想大量获得它们，从而为我所用。实际上，人工制备的酶已经广泛用于洗涤剂生产、原油污染处理、生物质燃料制备、有害细菌杀灭等领域。而进化控制技术正是大量制造人工酶的绝佳利器。

人工酶有什么功用

人类目前合成的某些酶已经能够催化一些极具应用潜力的化学反应。比如，在将大气中的二氧化碳转化为燃料有机分子、将大气中的氮元素与氢元素结合以合成氨等反应中，合成蛋白质的催化效率与无机催化剂相比毫不逊色。

不少东亚人身体中缺乏乳糖水解酶，饮用牛奶之后会产生胀气、腹泻等不适。而添加人工乳糖水解酶的各种牛奶，可以极大地缓解饮用牛奶后的不适。

此外，人工酶的应用还包括疾病治疗。例如，人工酶有望帮助肠道疾病患者实现在胃中分解谷蛋白，从而减少肠道的压力。