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催化与化学

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Frances H Arnold,George P Smith和Gregory P Winter荣获诺贝尔化学奖

2018年诺贝尔化学奖获得者:弗朗西斯·阿诺德(Frances H Arnold),乔治·史密斯(George P Smith)和格雷戈里·P温特(Gregory P Winter)
2018年诺贝尔化学奖获得者:弗朗西斯·阿诺德(Frances H Arnold),乔治·史密斯(George P Smith)和格雷戈里·P温特(Gregory P Winter)

Frances H Arnold,George P Smith和Gregory P Winter因“利用进化的力量”而获得了2018年诺贝尔化学奖。 Arnold因“酶的定向进化”而获得了一半的奖金,该酶可用于生产催化蛋白,从而使医药和绿色燃料的工业化学更安全。 Smith和Winter分别因“肽和抗体的噬菌体展示”获得四分之一的奖金,可用于生产可用于中和毒素,抵抗自身免疫性疾病和治疗转移性癌症的人抗体。

弗朗西斯·H·阿诺德 1956年出生于美国匹兹堡,1985年在加利福尼亚大学伯克利分校完成博士学位。她目前是美国帕萨迪纳市加利福尼亚理工学院化学工程,生物工程和生物化学的Linus Pauling教授。

乔治·史密斯 1941年出生于美国的诺沃克。他于1970年在美国哈佛大学获得博士学位,目前是美国密苏里大学(University of Missouri)的策展人杰出生物科学名誉教授。

格雷戈里·P·温特爵士 1951年出生于英国莱斯特。他于1976年在英国剑桥大学攻读博士学位,并留在剑桥担任MRC分子生物学实验室的研究负责人。

酶的定向进化的工作流程。诺贝尔信用基金会

掌握酶的进化

酶的定向进化从自然界所使用的过程中汲取灵感,从而获得了健康,进化上具有竞争性的生物体中所有生物过程所需的蛋白质:编程功能更好的生物体的基因更可能存活并增殖为下一代而不是性能较差的原型。几千年来,农业和农业通过选择和育种具有人类所需的特殊功能的牲畜和农作物而拦截了这一过程,而定向进化则将这一过程从田间带到了实验室并加快了速度。这样,可以在单个实验过程中而不是几代繁殖中完成特征的改进。

Manfred Eigen提出了一种迭代算法,用于“基于RNA复制的进化分子工程”中 纯应用化学 在1984年,他提出了一个程序,该程序首先生成自复制模板的突变谱,然后分离并克隆单个突变体,扩增然后表达克隆,然后测试最佳表型和鉴定最佳基因型。重复该过程以优化酶。十年后,Arnold和她的同事们证明了枯草杆菌蛋白酶E的定向进化,从而获得了一种变体,该变体在通常会使其变性的非自然条件下具有活性,即高浓度的极性有机溶剂二甲基甲酰胺(DMF)。 )。

定向酶进化的实际实施提出了一系列挑战。初始酶需要仔细选择,以确保其对所需反应的活性较低,DNA序列库必须涵盖正确的子集,正确的选择标准以及在每一轮之间使其更加严格的方法至关重要,以及多样化发展以创造具有新子集的新DNA序列–该组件引入了模仿进化的随机控制元素–还必须按时执行。

由于他们的“非水溶剂的酶工程” 1991年,阿诺德(Arnold's)实验室和世界其他地区的实验室采用定向进化技术,广泛发表了有关改进延伸进化过程中每个步骤的方法。阿诺德还使用定向进化论来证明对同一催化剂内两种相反极端条件的耐受性,大自然通常会用两种单独的酶来覆盖这种情况,例如一种酶用于极端热量,一种酶用于极端寒冷。她和同事还生产了酶来催化以前没有酶可用的反应,包括调节细胞色素P450的活性以催化工业上重要的反应环丙烷化。

这项工作在制药领域拥有广泛的遗产,用于生产多种增味剂,治疗糖尿病和血管斑块以及降低脂质的药物。定向进化技术在大规模生产的化学药品中的应用包括去污剂和生物催化剂,它们已取代了某些化学催化剂,为工业合成提供了绿色替代品,并且在诸如蛋白质合成等新领域中,催化剂的研究仍在继续。

从噬菌体展示文库中选择高亲和力结合蛋白。信用:诺贝尔基金会

操纵噬菌体展示

噬菌体–也称为噬菌体–是一种在细菌内部感染并复制的病毒。它们包裹DNA。 DNA编码的某些蛋白质存在于噬菌体表面,已用于筛选。 1985年,史密斯(Smith)证明他可以改变其中一种表面蛋白中的一种肽,并且该肽将与其靶抗体保持相互作用。他还表明,“展示”所需肽的噬菌体可以被富集,从而使其浓度增加1000倍。

这项工作通过物理耦合表型(高亲和力高选择性结合蛋白)和基因型(DNA序列)导致了结合蛋白的定向进化。史密斯的见解还揭示了利用疫苗中噬菌体展示的潜力。由于噬菌体展示可以鉴定抗原,因此颠倒程序为鉴定新的治疗性抗体提供了一条途径。

噬菌体片段展示

1990年,Winter开发了噬菌体展示产品,以证明噬菌体展示了折叠且功能齐全的抗体片段。在第一个演示中,Winter和他的同事展示了与丝状噬菌体蛋白III融合的,在免疫小鼠中对抗鸡蛋清溶菌酶的scFv。结合是如此特异性,以至于scFv-噬菌体与鸡蛋清溶菌酶结合,而它们却不会与人或土耳其的鸡蛋清溶菌酶结合。科学家将高度特异性归因于噬菌体表面展示的功能性折叠形式的scFv。他们仅在两轮亲和纯化中就对携带抗原结合片段的噬菌体富集了超过其他噬菌体的百万倍,并进行了保留噬菌体的中间扩增。

噬菌体展示技术现已用于改进的免疫接种中,这种增强的抗原亲和力可以实现皮下给药以前在医生手术中需要静脉注射的药物。从噬菌体展示中获得临床认可的药物包括Adalimumab(2002),该药物与促炎细胞因子TNF-α结合,可用于治疗类风湿性关节炎,牛皮癣和炎性肠病等。

有关奖项和获奖者的详细信息,请访问: 诺贝尔基金会.

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