「酶的定向进化」获得 2018 年诺贝尔化学奖，这项技术对于生物化学领域有多重要？

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记得在看《未来简史》时，作者就有预言未来的一个方向就是生物工程改变，是人类能够依照自己的想法改变，从而实现人类达到从人到神的进化。

「酶的定向进化」
https://www.zhihu.com/video/1031471616819134464
当然，没得定向进化只是想这个期冀迈出了一小步。人类还无法弄清DNA的设计语言。目前，突变还是随机的。进化，更确切应该说是演化，就是随机的突变加上有方向的自然选择。突变其实并没有好与坏，只有适不适合。树木长得很高长颈就是适合的，树木很矮，短颈就是合适的。
所以就像生理学奖一样，这只是打开了一扇门。未来人类依旧任重道远！

PS：化学家真心哭晕在厕所，理综奖不愧是理综奖！
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清风寡欲

这项技术，可能是目前生物化学和分子生物学结合最好的技术之一了。
通过人为引入随机突变，产生突变个体，进行条件筛选这个方法在分子生物学中非常普遍的。几乎全世界所有的分子遗传学家都会使用引入随机突变的方法，获取遗传材料，进行科学研究。




细胞色素C的定向遗传筛选

比如，分子遗传学家们需要突变材料进行分子机理的探究。但是自然界中的突变材料又很少，那必须要人为引入突变。比较常用的是化学诱变法——通过化学诱变剂（一般是EMS：甲基磺酸乙酯），材料一般是，拟南芥，水稻，玉米，藜麦，果蝇，线虫等等。
EMS化学诱变能在基因组中随机引起单脱氧核糖核苷酸突变，比如常见的是C到G，以拟南芥为例，控制EMS试剂浸泡拟南芥种子的时间，可以控制其在基因组中引起的突变位点的 数量，一般不超过十个【1】。



EMS的工作原理



EMS引入核苷酸随机突变的方法应用于拟南芥



EMS引入核苷酸随机突变的方法应用于线虫



EMS引入核苷酸随机突变的方法应用于果蝇

今年的诺贝尔奖获得者的所谓的酶的定向进化，也是利用随机引入核苷酸突变的方法，产生突变材料，进行研究的。只不过选用的材料是细菌，得到最终产品是酶，蛋白质【2】。



定向进化

我在莫轩：如何通俗地理解 2018 年诺贝尔化学奖「蛋白质进化」？在我们生活中有什么实际应用？提到，分子遗传学家为了获得一个拟南芥突变体，所用的种子数量大约是，2000万-1亿粒，一般少说也有几十万，跟上图中所用的1万个克隆比起来，有过之而无不及。

通常，一次实验用到的拟南芥种子大约是2万-5万之间。
浸泡过的拟南芥种子种下去以后，大约有2万-5万株拟南芥，每一株可结种子1000-2000颗。

所以，实际上，所谓的蛋白质定向进化，和分子遗传学家采用的方法一样，本质上都是一种条件性筛选，只是概念上的一种炒作，照这个思路，分子遗传学家是不是可以称他们的工作为：果蝇的定向进化？拟南芥的定向进化？物种的定向进化？
只不过，她将分子遗传学上的筛选应用于细菌中，进行酶的筛选，然后研究酶的化学性质，并将成果很好的转化出来。


单就“酶的定向进化”这个技术来说，这个技术可以产生一系列功能性蛋白分子，生产出各种活性极高安全性很好的酶分子，应用于食品，医药，环境保护等任何需要酶、蛋白质、以及发酵技术的行业，比如酿酒，药品生产，天然产物生物合成，污水/垃圾生物处理，二氧化碳固定，氮素合成等，并将成为一项产值极高的产业【3】。

而真正的分子遗传学家们用了那么多年，为啥没有引起轰动的效果呢？我觉得应该就是所选材料和最终目标产物的问题。对于农作物如水稻，玉米等，理论上，这个方法可以得到耐盐碱性，耐旱的高产类型。但是为什么还没有呢？因为它们的生长周期长达几个月，需要大量的财力物力支持。别的不说，一亿粒水稻种子有多重？（一千粒水稻大约18-34克，一亿粒大约18-34吨？）
Arnold教授用的方法是类似的——都是人为引入随机突变，然后进行筛选——只不过她选用的是细菌，改变的是酶活性，筛选出机具经济价值的结果。细菌个体小，生长周期数个小时，培养起来也方便，需要的财力物力也不多吧。


虽然方法不是很新，但这个方法还是给我们很多提示——利用分子生物学的方法，遵循和掌握自然的规律，去研究生物化学，然后成果转化。


参考：

• EMS Mutagenesis and Point Mutation Discovery
  

EMS Mutagenesis and Point Mutation Discovery

• EMS Mutagenesis and Point Mutation Discovery
  
• https://chemrxiv.org/articles/A_Biocatalytic_Platform_for_Synthesis_of_Chiral_-Trifluoromethylated_Organoborons/7130852/1
  
• Directed Enzyme Evolution: Advances and Applications (eBook, PDF)
  

长长的路

@Yui Yoshioka 谢邀
蛋白质定向进化，首先它是一个非常标准化的通用技术。换句话说，不管你的目标是什么——更高效的催化反应，不一样的最适温度，还是全新的生化功能，也不管你最开始使用的蛋白质是什么，只要能够设计筛选用的检测方法，谁都可以过来走两步。
我听Frances Arnold说，他们实验室的速度差不多个把月，成与不成就能有个初步结论了。
随着测序成本和高通量合成成本的降低，以及各种新技术包括微流控的加入，蛋白质定向进化以后可能会变得更加的傻瓜化也越来越常用，未来很可能就会变得像PCR一样的简单常用。

然后这个方法非常强大，已经广泛地应用在不同物种来源、不同功能上的酶了。很多的新技术，都经过一个“发现蛋白 - 理性改造蛋白 - 大规模筛选优化蛋白”的过程。

我就举几个对研究比较重要的，以及对人的日常生活中比较重要的例子吧。
<hr/>先说日常生活的。

最经典的例子应该是加酶洗衣粉了吧。厂商P&G宝洁大家很熟悉了，旗下很多洗衣粉啊洗衣液（比如汰渍）都含有分解脂肪和分解蛋白质的酶。这些酶都是需要在碱性、冷水里工作的，实际上天然环境的酶是不好用的，因此需要（1）产生千级别的酶突变体库，（2）混合到模拟的冷水环境，（3）进行去污能力测试，并进行几轮进化之后，才能获得最后可以投放使用的产品。



https://www.statnews.com/sponsor/2018/02/22/clean-laundry-enzyme-science/

非常多的多肽类和蛋白类药物，都是通过定向进化，结合展示技术——包括今年得奖的噬菌体展示、以及2009诺奖得主Jack Szostak的mRNA展示技术——几轮筛选之后得到的。
我个人觉得发给噬菌体展示而不是其他的展示技术，大概就是因为Greg Winter利用噬菌体展示发明了第一个FDA批准的抗体类药物阿达木，一举成为了全球药王。



去年Nature Review上有一篇文章，专门讨论定向进化在药物发现中的应用，简单地列了一些“知名”药物的表格，如下：



《Directing evolution: the next revolution in drug discovery?》

因为我也不是药学出身的，只能挑一个比较简单的说吧，HIV蛋白酶抑制。这个小分子可以抑制HIV的蛋白酶活性，从而阻断病毒的组装，是著名的治疗艾滋病的鸡尾酒疗法中经常使用的一种药。
说是小分子，其实是一个结构相当复杂的环肽。很难想象通过人工和计算机辅助设计，要经过多长时间才能找到这个药。


<hr/>再谈谈科研中的

如果是做代谢工程的，不可避免的要经常涉及到酶的定向进化和工程改造，可以说是必需技能之一了。
至于更广泛的，就是各种蛋白质工具了。现在生物学研究中，最常用的就是各种各样的工具酶和蛋白，远的像用于PCR的高温DNA聚合酶，用于分子克隆的限制性内切酶，和用于荧光标记的荧光蛋白，都已经拿过诺奖了，近一点的，用于基因组编辑的CRISPR/Cas9还没拿过诺奖。不管是什么类型什么功能的酶，很多情况下，这些天然物种中发现的、或者是人工改造蛋白质，在特定的实验室环境中，效率要么比较低，或者功能有一定的局限性，或者是工作环境相互不兼容。这时候，就需要定向进化的方法，暴力筛选，对工具酶进行优化。
这里就先举一个最经典的 吧——荧光蛋白的改造。

各种各样的荧光蛋白可以说是全世界范围内，生物学研究中最常用的工具了，可能都没有之一。荧光蛋白的改造很多是由2008年诺奖得主钱永健主导的。



钱永健和各种颜色的荧光蛋白，原图来自纽约时报

钱永健作为一个出色的化学家，对各种化学基团的了解，可以帮助他实现理性设计——第一个黄色荧光蛋白就是通过对绿色荧光蛋白进行理性改造获得的。
但是除了这个黄色荧光蛋白，绝大多数的荧光蛋白工程改造都是通过随机突变筛选得到的。
最著名的GFP S65T，也就是俗称的增强绿色荧光蛋白，EGFP，就是随机突变的产物——其实原本的GFP荧光很弱，有了EGFP之后才方便人们大规模地应用。
蓝色荧光蛋白CFP，也是从GFP随机突变得到的。

只有黄绿蓝三种光谱很接近的荧光蛋白不太方便标记多种蛋白质。所以人们有挖掘了红色荧光蛋白。而红色荧光蛋白家族的改造，就彻彻底底的是通过定向进化了。

红色荧光蛋白（RFP）家族的物理化学性质比绿色荧光蛋白（GFP）差很多。
最早的发现的天然RFP，现在一般称为DsRed，是个复杂的四聚体，由四个一样的DsRed会自发地聚积到一起从而实现荧光。这对于实验中，用RFP标记蛋白质就困难了，四个被标记的蛋白质被拽到一块可不是我们想要的。
而且DsRed成熟的非常慢，在室温条件下，需要超过一天才有一半概率成熟，这做个实验黄花菜都凉了。
那么一个重要的内容就是生成快速成熟的、单体的有荧光的RFP。
仅靠随机突变没有解决不了问题，而是进行了好几轮定向进化。
首先Brooke J. Bevis and Benjamin S. Glick通过随机突变，加速了DsRed的折叠
然后，钱永健组通过定向进化，做出了一个最早的单体版本mRFP1，距离原始的DsRed有33个突变。
直到2004年，钱永健组拿出了更稳定，更明亮的最终版本mCherry，以及从红到黄的各种突变体mOrange, mBanana等。

队长是我

谢邀！
定向进化技术主要用来改造蛋白质。其原理是，对蛋白质的基因进行随机突变，而后利用大规模的筛选手段，筛选到符合要求的突变体。
酶是重要的蛋白质分子。但酶毕竟是自然进化来的，它工作的环境是在生物体内。因此，酶的很多性质不能满足工业的需求。比如，稳定性差。举个例子，现在很多饲料都添加酶，这能够提高动物对饲料的消化、利用或改善动物体内的代谢效能。但是很多酶不稳定，在室温放不了一会就过期了。这时候就需要对这些酶进行改造。先对这些酶做突变，建立一个突变体文库；然后在高温下加热这些突变体；最后再降温到最合适的反应温度，那些仍然保持很高活性的突变体就是我们需要的。
酶的活性也需要改造。举个洗涤剂的例子。现在洗衣粉都是加酶的，这是因为很多污渍是大分子物质，比如食物残渣、汗渍、血迹、油污等。这些大分子物质水溶性不好，很难清洗干净。酶的作用，是使这些大分子物质分解为水溶性好的小分子物质，从而方便的除去。油污可以被脂肪酶分解；米饭，食物残渣之类的可以用淀粉酶分解。然而我们在洗衣服的时候，大多数都是用的冷水，水温比较低。很多酶在低温下活性不高，这时就需要对其进行改造，使的酶在低温状态下仍然有较高的活性。
近年来，定向进化应用的更多的是拓宽酶的底物范围，提高立体选择性等功能性质。相比于化学催化剂，酶能够专一性，高立体选择性的催化化学反应。但是，天然酶的底物经常不是工业中需要的，这时候就需要对酶进行改造，借助定向进化的技术手段，使其能够高立体选择性的催化目标底物。

长长的路

。。。比较震惊的是，，，准备去的组的大导让我写的project就是基于她的工作，，，结果今天一看名字，哇擦，好熟悉。。。