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北京時(shí)間10月3日下午,2018年諾貝爾化學(xué)獎揭曉,用一句話(huà)劃出重點(diǎn):來(lái)自美國和英國的三位科學(xué)家因為將“進(jìn)化”引入實(shí)驗室創(chuàng )造出新型化學(xué)品而獲獎,其中一位是女性科學(xué)家。

他們是:
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美國科學(xué)家弗朗西絲阿諾德(Frances H。 Arnoid)、喬治史密斯(George P。 Smith)和英國科學(xué)家格雷戈里溫特(Sir Gregory P。 Winter)。

在分獎金方面,弗朗西絲阿諾德因研究酶的定向進(jìn)化而分享一半獎金,而喬治史密斯和格雷戈里溫特因研究多肽和抗體的噬菌體展示技術(shù)而共享另一半獎金。

● 掌控進(jìn)化,是今年諾獎化學(xué)獎的關(guān)鍵詞。

“化學(xué)獎?dòng)蛛p叒叕成理綜獎了?”

“化學(xué)獎?dòng)诸C給了生物學(xué)家?”

“我們感到很失望!”

得知這個(gè)消息的第一時(shí)間,搞化學(xué)的小伙伴們哭暈在十一黃金周的人山人海中。

不過(guò),事實(shí)并沒(méi)有那么悲觀(guān)。

化學(xué),是和物理、生物一樣的一級學(xué)科,總結的是分子、原子層面的規律。

評價(jià)化學(xué)家在基礎科學(xué)領(lǐng)域的最高成就,無(wú)外乎發(fā)現新元素、發(fā)展出新反應和搞出新產(chǎn)物這幾點(diǎn)。

例如,1911年頒給居里夫人發(fā)現釙和鐳,2005年頒給伊夫肖萬(wàn)等人發(fā)展烯烴復分解反應及2010年頒給理查德赫克等人發(fā)展鈀催化的交叉偶聯(lián)反應,1987年頒給唐納德克拉姆等人合成的大環(huán)聚醚化學(xué)等。

那,今年這個(gè)關(guān)于進(jìn)化的故事,為啥是一個(gè)不折不扣的化學(xué)獎?

根據諾貝爾化學(xué)委員會(huì )主席克拉斯古斯塔夫松(Claes Gustafsson)的發(fā)言:“今年的諾貝爾化學(xué)獎獎勵的是一場(chǎng)基于進(jìn)化的革命。我們的獲獎?wù)咭呀?jīng)在試管中應用了達爾文的原理,并利用這種方法開(kāi)發(fā)出造福人類(lèi)的新型化學(xué)品?!?/p>

所以,首先,基于獲獎?wù)叩墓ぷ?,新!型!化!學(xué)!品!被創(chuàng )造出來(lái)。

● 讓我們再看看三位科學(xué)家的具體工作:

1993年,弗朗西絲阿諾德進(jìn)行了第一次酶的定向進(jìn)化,酶是催化化學(xué)反應的蛋白質(zhì)。

此后,她改進(jìn)了目前用于開(kāi)發(fā)新型催化劑的常規方法。

弗朗西絲阿諾德的酶的用途包括生產(chǎn)環(huán)境更友好的化學(xué)物質(zhì),如制藥以及為更加綠色的運輸環(huán)節進(jìn)行可再生燃料的生產(chǎn)。

1985年,喬治史密斯發(fā)明了一種被稱(chēng)為噬菌體展示的良好方法。

作為一種感染細菌的病毒,噬菌體在新的方法下“進(jìn)化”出了新的蛋白質(zhì)。

隨后,格雷戈里溫特完成了抗體的定向演化,并以此生產(chǎn)出新的藥物。

第一個(gè)藥物阿達木單抗于2002年獲批,用于治療類(lèi)風(fēng)濕關(guān)節炎、銀屑病和炎癥性腸病。

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阿達木單抗的化學(xué)結構式

第二,從方法論上看,三位科學(xué)家都借鑒生物學(xué)的反應方法產(chǎn)生新化學(xué)物質(zhì),化學(xué)領(lǐng)域新時(shí)代已經(jīng)開(kāi)啟。

除了產(chǎn)生新物質(zhì),還創(chuàng )造了新反應,他們搞的是不折不扣的化學(xué)??!

所以,這不是化學(xué)獎是什么獎?!

● 縱觀(guān)最近五年諾貝爾化學(xué)獎,充分說(shuō)明一個(gè)道理:想得諾貝爾獎嗎?去搞化學(xué)吧!

2013年,頒給三位化學(xué)家在為復雜化學(xué)系統創(chuàng )立了多尺度模型上的成就(很化學(xué))

2014年,頒給三位物理學(xué)家在超分辨率顯微鏡上的成就

2015年,頒給三位生物學(xué)家在DNA修復機制上的成就

2016年,頒給三位化學(xué)家在分子機器上的成就(很化學(xué)too)

2017年,頒給Jacques Dubochet等三位生物物理學(xué)及分子生物學(xué)科學(xué)家在冷凍電鏡上的成就(理綜獎無(wú)疑)

正如《科學(xué)》雜志報道,澳大利亞墨爾本皇家理工大學(xué)化學(xué)家?jiàn)W利弗瓊斯(Oliver Jones)在英國科學(xué)媒介中心發(fā)布的一份聲明中說(shuō):“化學(xué)在我們的生活中支撐了很多東西,盡管它并不總是那么明顯,所以這些發(fā)現能夠得到認可非常好?!?/p>

來(lái)看看中國科學(xué)家怎么說(shuō)吧

Q1:酶的定向進(jìn)化的科學(xué)意義何在?

華南理工大學(xué)生物科學(xué)與工程學(xué)院院長(cháng)林章凜:

從蒸汽時(shí)代開(kāi)始,人類(lèi)總是希望能理性設計出一些分子,比如化學(xué)分子現在已經(jīng)能設計得很好。但是,生物分子和生物體系是比較復雜的。

1990年以前,人類(lèi)一直想理性設計蛋白質(zhì),卻一直不太成功。

弗朗西絲阿諾德教授的巨大原創(chuàng )性貢獻在于,坦率承認人類(lèi)到目前為止還沒(méi)有很好的辦法理性設計生物分子如蛋白質(zhì),應該轉而學(xué)習自然進(jìn)化。

她在實(shí)驗室中模擬自然界的自然進(jìn)化,通過(guò)隨機突變、隨機雜交,再加以適當規模的篩選或者選擇,來(lái)進(jìn)化出新的生物分子。

這對于生物化學(xué)界來(lái)說(shuō),是一種哲學(xué)和方法學(xué)的巨大貢獻。

阿諾德這種哲學(xué)和方法學(xué)上的突破可以應用到多個(gè)領(lǐng)域。

例如,工業(yè)上可以進(jìn)化出一些有用的酶,用來(lái)綠色制造。

全球最大的工業(yè)酶企業(yè)諾維信公司所開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)的多種工業(yè)酶,就是利用了這種方法。這種方法同樣可應用到生物醫藥領(lǐng)域。

浙江大學(xué)生物工程研究所教授于洪?。?/p>

傳統的生物催化劑的開(kāi)發(fā),通常是在自然界中篩選。

比如從土壤中、水中進(jìn)行天然的篩選方法,但是這種周期很長(cháng),而且效率也偏低。

酶的定向進(jìn)化技術(shù),它是從基因水平對其進(jìn)行改造,讓它表達出和原來(lái)野生型不同的,或者是性質(zhì)得到提高的生物催化劑。

那么中間過(guò)程到底發(fā)生什么了呢?主要是在基因擴增過(guò)程中,不斷地發(fā)生突變,來(lái)模擬自然進(jìn)化中發(fā)生的突變。

然后,再通過(guò)高通量的篩選方法把我們所需要的,具有我們想要的特征的生物催化劑,把它篩選出來(lái)。

酶的定向進(jìn)化的真正意義在于,它從分子水平上對酶進(jìn)行改造,根據我們的意愿,根據實(shí)際需求,有針對性的開(kāi)發(fā)生物催化劑。

Q2:為何短肽和抗體的噬菌體展示技術(shù)可以獲得今年諾貝爾化學(xué)獎?

中科院廣州生物醫藥與健康研究院研究員李懿:

1986年,那時(shí)我大學(xué)將要畢業(yè),格雷戈里溫特爵士在倫敦皇家學(xué)院講蛋白質(zhì)工程和治療性單克隆抗體方面的研究時(shí),就提到過(guò)如何用抗體做藥的概念。

早在上世紀90年代他的人源化抗體技術(shù)就獲得諾貝爾獎提名,但是并沒(méi)有頒發(fā)給他,應該說(shuō)當時(shí)還需要證據讓人們看到這個(gè)技術(shù)能為人類(lèi)帶來(lái)多大的好處。

今年授予他諾貝爾化學(xué)獎,可以說(shuō)明諾貝爾獎評委對抗體噬菌體展示領(lǐng)域的深入觀(guān)察,在過(guò)去已經(jīng)為免疫學(xué)和人類(lèi)作出了關(guān)鍵性的貢獻。我覺(jué)得這一技術(shù)平臺還會(huì )在將來(lái)作出更多的貢獻。

喬治史密斯是第一位在《科學(xué)》雜志上發(fā)表利用噬菌體展示技術(shù)進(jìn)行短肽分子展示的科學(xué)家。

這一技術(shù)的發(fā)明實(shí)現了基因與表現型(蛋白/短肽)直接的連接,并可根據表現型篩選出相應的基因。

當時(shí),我就認為是繼孟德?tīng)栔笊镱I(lǐng)域最偉大的發(fā)現之一。

因為這一技術(shù)實(shí)現了在短短兩周內由表現型篩選出其編碼基因。這讓人們可以幾乎任意地挑選(設計)所需要的蛋白/短肽。

經(jīng)過(guò)30多年的技術(shù)的發(fā)展,已產(chǎn)生了很多有用的短肽和抗體,并且造福人類(lèi)。

Q3:和獲獎?wù)哂心男巴隆保?/p>

于洪?。?/p>

我2005年至2006年在阿諾德實(shí)驗室工作過(guò),我那時(shí)候在新加坡讀博士后然后去她實(shí)驗室做訪(fǎng)問(wèn)。那時(shí)候她正患了癌癥,我還記得她那時(shí)候剃著(zhù)光頭,但是她非常積極樂(lè )觀(guān),這一點(diǎn)讓我非常感動(dòng)。

林章凜:

1996年至1999年期間,我在加州理工學(xué)院阿諾德教授實(shí)驗室做博士后。

她是我見(jiàn)過(guò)的最聰明的人,能解決別人解決不了的問(wèn)題,因此也成為美國非常少的科學(xué)院、工程院和醫學(xué)院“三院”院士之一。

除了聰明,我對阿諾德教授印象非常深刻的是,她對科學(xué)的基本問(wèn)題持有極大研究興趣,比如對進(jìn)化的原動(dòng)力有好奇心。

這些對科學(xué)基本問(wèn)題的研究往往會(huì )帶來(lái)重大技術(shù)突破。這一點(diǎn)對我們的教育和科研體制有很大啟發(fā)。

憑借1993年的酶定向進(jìn)化成果,阿諾德教授順利拿到加州理工學(xué)院的終身教授。

這也說(shuō)明美國的科研體制不是看文章數量,而主要看對科學(xué)的原創(chuàng )性貢獻。

Q4:中國科學(xué)家在上述獲獎領(lǐng)域的研究如何?

于洪?。?/p>

在我國,在工業(yè)上應用的很多酶也都是在實(shí)驗室里通過(guò)對酶在分子水平上進(jìn)行改造后,提高它各方面的性能,然后投入實(shí)際的生產(chǎn)當中。

而且隨著(zhù)合成生物學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展,在代謝過(guò)程中的一些關(guān)鍵酶,也越來(lái)越多的采用定向計劃的技術(shù)來(lái)進(jìn)行改造,來(lái)提高代謝過(guò)程中關(guān)鍵酶的催化性質(zhì)。

我們實(shí)驗室在這方面做了大量的工作,不僅僅單純對單一的酶在體外進(jìn)行催化,我們很重要的工作是細胞內代謝過(guò)程中一些酶進(jìn)行改造,提高它的代謝效率。

李懿:

我國在噬菌體展示領(lǐng)域處在“緊跟”的狀態(tài),國外的噬菌體展示技術(shù)經(jīng)過(guò)幾十年的積累沉淀,才有了20世紀80年代末期的發(fā)明成果。

目前我國在科研方面的投入偏向于應用,基礎研究領(lǐng)域需要加大科研經(jīng)費投入,尤其是要支持年輕科學(xué)家開(kāi)展科學(xué)研究,才能繼續推進(jìn)新技術(shù)的原創(chuàng )性研發(fā)。

Q5:是不是真“化學(xué)獎”?

李懿:

我們看到,今年的諾貝爾醫學(xué)獎和化學(xué)獎,都授予了與免疫學(xué)有關(guān)的研究,這讓我們非常震驚,在免疫學(xué)領(lǐng)域,這是爆發(fā)性的成果。

很明顯,有非常重要的臨床藥物是由噬菌體技術(shù)研發(fā)出來(lái)的,現在授予他們是非常正確的。

噬菌體展示技術(shù)在定向分子進(jìn)化過(guò)程中發(fā)揮非常大的作用,不僅能夠篩選出不同結構的分子,還能篩選不同的酶以及他們的活性,這是化學(xué)和生物的交叉地帶。

上海交通大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院教授張萬(wàn)斌:

獲獎科學(xué)家用生物的方法來(lái)轉變化學(xué)物質(zhì),獲得新的化學(xué)物質(zhì),這應當被視為是在化學(xué)上的突破。

于洪?。?/p>

我想這里可能存在一個(gè)誤區,生物技術(shù)或者說(shuō)是生物催化,主要是解決的是有機合成中的關(guān)鍵問(wèn)題,也就是說(shuō)化學(xué)催化過(guò)程中那些催化效率低,或者用化學(xué)催化劑很難合成的化學(xué)分子,生物催化劑就能展示出來(lái)它應有的優(yōu)勢。所以酶工程的工作主要還是為化學(xué)服務(wù)的,不能簡(jiǎn)單的區分開(kāi)究竟是做化學(xué)的還是生物的。

這次諾獎的頒發(fā)讓我感覺(jué)諾獎的頒獎風(fēng)向標好像有所改變,往應用技術(shù)的方向有所傾斜。

林章凜:

生物化學(xué)是化學(xué)的一個(gè)分支,屬于經(jīng)典化學(xué)的范疇,有很長(cháng)的研究歷史,并不是新興交叉學(xué)科。從最近十來(lái)年的化學(xué)獎獲獎成果也可以看出,其中很多給了生物化學(xué)。

Q6:為何鐘情于生物領(lǐng)域?

中國工程院院士、北京化工大學(xué)校長(cháng)譚天偉:

諾貝爾化學(xué)獎多次授予與化學(xué)有關(guān)交叉學(xué)科,也許側重點(diǎn)或者出發(fā)點(diǎn)是從生物角度,但是其實(shí)很多都是跟化學(xué)有關(guān)的,例如原先的PCR(聚合酶鏈式反應)。

什么是化學(xué)?從定義上看,由于化學(xué)反應產(chǎn)生新的分子、新的物質(zhì)都屬于化學(xué)過(guò)程。

很多化學(xué)過(guò)程產(chǎn)生新的分子,或者為了產(chǎn)生新的分子,都用了生物的方式產(chǎn)生。

這實(shí)際上本質(zhì)上是一種化學(xué)過(guò)程、化學(xué)反應。而這更體現出化學(xué)學(xué)科的開(kāi)放與包容,涉及面更寬,化學(xué)和其他學(xué)科的交融性很強。

中科院院士、中國科學(xué)院上海有機化學(xué)研究所所長(cháng)丁奎嶺:

無(wú)論是物理學(xué)家還是生物學(xué)家,他們都為分子水平認知世界提供了創(chuàng )新的工具和方法,所研究的領(lǐng)域本質(zhì)上其實(shí)還是化學(xué)研究的分子科學(xué)范疇。

這次獲獎體現了生物與化學(xué)的交叉與融合,盡管是生物學(xué)家做出的事情,但他們促進(jìn)了從分子水平認知生物體的變化。

化學(xué)家其實(shí)也在努力改變生物和材料等領(lǐng)域,化學(xué)家的很多工作,也在不斷深刻影響著(zhù)生物和材料領(lǐng)域。

比如2001年諾貝爾化學(xué)獎得主Barry Sharpless教授,在1998年就拋棄了自己有望獲諾獎的手性催化領(lǐng)域,提出了點(diǎn)擊化學(xué)概念,就是希望通過(guò)發(fā)展最好的化學(xué)方法,能夠徹底影響和改變其他領(lǐng)域,事實(shí)上他的點(diǎn)擊化學(xué)已經(jīng)在生物,醫藥和材料領(lǐng)域發(fā)揮了巨大作用。

這也印證了一個(gè)說(shuō)法,出創(chuàng )新的東西,要么在交叉、要么去深挖,只有到了科學(xué)的“無(wú)人區”,才會(huì )有所發(fā)現和創(chuàng )新。

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