「正是由于这项技术的诞生，我才有幸在博士期间从事酶定向进化技术的研究，完成我的博士课题。」

撰文 | 李振伟

编辑 | 李研

瑞典当地时间10月3日中午，北京时间下午5:45，2018年诺贝尔化学奖被授予三位生物化学专家。

其中，美国科学家弗朗西斯•阿诺德（Frances H. Arnold）获得了一半奖金，以表彰她在酶的定向进化领域所作出的杰出贡献。

Frances H. Arnold（图源：phys.org）

作为酶催化领域，尤其是分子定向进化的先驱，Frances H. Arnold教授名字可谓是业界周知。正是由于她率先在该技术上的突出成就，才使得酶促生物合成进入了全新的时代。

听说Frances H. Arnold教授获奖，我倍感振奋。正是由于这项技术的诞生，我也才有幸在博士期间从事酶定向进化技术的研究，完成我的博士课题。虽然现在我已离开酶定向进化的一线研究数年，但该技术给我个人职业生涯带来的欣喜依然深刻的留在记忆中。

生物催化剂——酶

在具体介绍酶分子定向进化技术之前，请允许我先讲述一些背景知识，以便大家更好地理解这项诺奖成果。

酶分子定向进化技术是酶催化领域上游核心技术之一。所以，我们首先得清楚什么是“酶”。而这个故事要从分子说起。

我们知道，自然界所有的物质都可以看做是由原子构成的大大小小的分子。氧气（O2）和水（H2O）等小分子，仅由几个原子构成，而大分子，如蛋白质分子由几万、几十万原子（通常用kDa为单位）构成。

分子之间可以通过化学反应互相转化，从一种化学分子到另一种化学分子的过程，伴随着一些化学键的生成和解离。在这个过程中，有些可以自发生成，但大多数情况需要在特定的条件下才能发生。

所以，在化学合成中，高温、高压是常见的反应条件，因为反应中需要输入足够的能量才能使反应得以进行。为了让化学反应能够更高效地进行，自然界有她独特的方法——催化剂。

我们用爬山来打比方。从山的一头到另一头，没有催化剂的时候，需要翻过很高的山才能到达；但是有了催化剂，就只要爬过矮矮的丘陵就可以，比起之前的高山容易多了。

一般的催化剂，包括酸碱、金属、过渡金属和过氧化物等。但在众多催化剂中，有一种特别突出，那就是酶。酶是一种极为高效的特殊催化剂，可以说是大自然馈赠给我们的礼物，其化学本质是具有催化活性的蛋白质或核酸。所有生物正是由于酶这种天然生物催化剂的存在才得以生存繁衍。

生物酶和普通催化剂的区别在于，前者能更大幅度的降低反应活化能，使反应更容易进行，就好比我们从出发地只要跨过一个小坡就能到目的地。

（图源：jpkc.scezju.com）

正是由于酶如此重要的地位，才造就了近20位和酶学研究相关的诺贝尔奖得主，而本次Frances H. Arnold教授的获奖为酶学领域新添了一枚奖牌。

酶工程

通常，酶只有在生物体内才能行使高效的催化活性。在生物催化技术发展早期，从生物体内提取的酶通常很不稳定，再加上其生产成本高昂，在相当长时间内仅限于实验室研究，离产业化非常遥远。

一个世纪前，科学家发现活体细胞的某些成分可以用于化学转化，但这个时期还停留在实验室阶段，算是生物催化的萌芽阶段。在上个世纪八、九十年代，蛋白质工程兴起，扩宽了生物酶的底物范围，使得生物催化的领域拓宽到非天然的医药中间体和精细化工领域。但这个时期还主要处于小试规模，没有形成大规模工业化生产。

为了解决酶本身的诸多问题，科学家们做了相当长时间的努力和探索，学术界数十年来想了很多法子来提高酶在工业应用中的稳定性，但一直收效甚微。直到1993年Frances H. Arnold教授率先提出“酶的定向进化”概念，并用于天然酶的改造，情况才发生了变化。

酶分子定向进化

在理解“酶分子定向进化”技术之前，我们不妨先回顾一下“进化”的基本原则。

“物竞天择、适者生存”，达尔文的进化论阐释了物种进化遵循的一些前提和假设，而这套理论可以很容易利用下面这张循环图来解释。

（图片由作者提供）

当环境发生恶劣变化后，物种繁殖的后代中出现了少数变异，这些变异者比非变异者更适合变化后的恶劣环境，于是它们被环境选择，存活了下来，原来的变异被固化，从而实现了物种的进化。后来，新一轮环境变化发生，变异、选择和进化的循环再次开启。

这个基本模型就是达尔文进化论的核心。

上过高中生物课的朋友也许还有印象。生物体的外在性状主要是由蛋白质体现出来的，而蛋白质的产生遵循“中心法则”，但是性状最终是否被表达和留存取决于环境。因此可以说，所有的变异都源自基因的变化，所有的进化都是基因适应环境的效应。

那“酶的定向进化”技术指的是什么呢？

（图源：Schwaneberg et. al. Electroanalysis (2008) 22:765-75）

具体来说，首先得在编码酶的基因水平上，尽可能多地人为造成随机突变或重组，形成一个庞大的基因突变库，然后在基因表达出相应的酶蛋白突变体库。

简单说，就是更多地产生尽可能多的变异后代。

然后，在人工模拟恶劣环境或要求下（比如高温、高毒性）从这个库中定向筛选出具备理想性状的蛋白突变体（比如高活性、高选择性、高稳定性等）。

简单说，就是从这些后代中选出你中意的一个或几个。

最后，从选出来的突变体中提取它的基因，并作为母本，进入下一轮酶基因突变库建立，实现酶的进化。

简单说，就是提取这个后代的基因，然后依次不断地循环上述过程，直到发现你最最中意的那个！

1993年，正是Frances H. Arnold首先提出了以上酶分子定向进化的概念，并使用易错PCR（error-prone PCR）的方法改造天然酶，以及构建新的非天然酶。

这也是为什么参与并建立酶定向进化研究者不少，但诺贝尔化学奖在酶分子定向进化技术上仅颁给Arnold教授的原因。

自此，酶分子定向进化技术得到了前所未有的发展和进步。

技术应用

正是由于酶定向进化技术的发展，脆弱的天然酶就可以在实验室里，按照人们设定的恶劣环境，实现试管中的进化，摇身一变成为符合工业生产要求的、更加稳定的变异酶。

酶定向进化技术的出现，伴随着基因合成、测序成本的下降以及计算机辅助的分子模拟技术的发展，使得生物催化技术极大地拓宽了应用价值。这个时期开始，生物催化技术参与的产品工业化规模开始出现，从而极大地提高了一些化学药物合成的效率。

以我们最熟悉的头孢类抗生素为例，之前需要13步化学合成，如今只要2步酶催化就可以，而且后者更绿色环保，成本也只有前者的一半。

（图片由作者提供）

由于酶催化工艺突出的优势，越来越多的药物合成案例不断涌现，取得了巨大的商业成功。以下是部分已经投放市场的通过酶催化合成的药物。

（图片由作者提供）

展望

经过20多年的发展，酶分子定向技术成果丰厚，除了上述提及的在药物合成领域的巨大产业化成就外，该技术在方法论领域的研究也是百发齐放，不断进步。

近几年，酶分子定向进化技术已经从原来的1.0时代进入了2.0时代。由于生物信息学的发展，海量关于序列和结构数据被获取，计算机辅助设计和基于结构信息的分析水平进一步提高，从而使得现有的酶分子进化策略越来越采用联合方法实施，并取得了更为明显的效果。

最后，我想介绍一下我熟悉的酶定向进化专业实验室。

（图片由作者提供）

最左边就是本次获奖的Frances H. Arnold教授，中间这位是德国最著名的酶定向进化专家Reetz教授，该技术的开创者之一。最后一位是我博士导师，Schwaneberg教授，正是他当年师从Arnold教授，将酶定向进化技术带回德国，建立了实验室，我也才有幸学习到这项技术。

相信随着酶定向进化技术获得诺奖，生物催化领域将进一步得到推动，迈向新的高度。

作者简介

李振伟，一个非典型理工男，生物化学专业，毕业于德国亚琛工大，从事酶和生物催化相关研究和产业化工作已近十年，致力于推动生物催化技术在国内外的推广和产业化。平时经常不务正业，除了是外语重度爱好者外，还喜欢跳尊巴舞蹈，自称烧的一手好菜，写得一手好字。

参考资料

[1] Sheldon, R. A., & Brady, D. (2018). Chemical Communications, 54(48), 6088–6104. 

[2] Bornscheuer, U. T., Huisman, G. W., Kazlauskas, R. J., Lutz, S., Moore, J. C., & Robins, K. (2012). Nature, 485(7397), 185–194.

[3] T. S. Wong, K. L. Tee, B. Hauer, U. Schwaneberg, Nucleic Acids Res 2004, 32, e26

[4] Verma, R., Schwaneberg, U., & Roccatano, D. (2012). ACS Synthetic Biology, 1(4), 139–150.

[5] Cheng, F., Zhu, L., & Schwaneberg, U. (2015). Chemical Communications,51(48), 9760–9772.

文章头图及封面图片来源：lbc.espci.fr