諾獎得主FrancesH.Arnold專訪——酶的定向進化

上周，加州理工大學教授Frances H. Arnold被授予諾貝爾化學獎，以表彰她在生物酶定向進化領域所做出的杰出貢獻。早在2011年，Wiley旗下Chemistryviews雜志曾對Frances H. Arnold進行過專訪。Vera Koester博士與Arnold教授交流了如何使用實驗室進化的方法來制備全新的酶, 以解決人類在醫學和可替代能源方面的問題。

我們特將此訪談翻譯為中文，讓大家一起走進諾獎得主的精彩科研。

原文|Vera K?ster （Wiley）

翻譯|劉海宇（蘇州大學）

-----------------------

Frances H. Arnold教授（左）Chemistryviews網站編輯Vera Koester博士（右）

進化設計：21世紀的生物科技工程學是您的演講題目。這里面的含義是什么？

我認為生物學是一個尋找解決21世紀重要問題方法的好方向。要做到這一點，我們必須設計生物系統，也就是對他們的DNA編碼進行重組。這是一件非常具有挑戰性的事情，但目前已經有一些引人注目的新技術出現了。

重組是什么意思？

重組意味著改變控制生物體行為的DNA的功能。通過改變DNA，從而產生新的功能，例如，可以產生一種可再生燃料或一種化學物質。自然生物已經進化到可以生存和繁殖，但不能解決人類制造可再生燃料或藥物的問題。所以如果我們想要通過重組生物來做到，我們就必須重寫DNA代碼來告訴他們怎么做。這很難做到，我們才剛剛開始學習。

您為什么認為生物工程學是解決人類問題的正確答案？

我的觀點是，進化是一種很好的生物學設計的算法。是它導致了當前存在的生物系統的多樣性和高功能性。它也是一種可以用來重新設計生物體，從而解決人類問題的算法，例如治療疾病或持續地制造燃料和化學品。生物學非常聰明，許多解決重要問題的方法都可以通過生物學設計來找到。

要做到這一點，我們必須學會如何“培育”分子，就像我們一直在培育生物體、貓、狗、賽馬、信鴿或玉米一樣。如果我們能在分子水平上培育，就會產生一系列新的挑戰，因為我們必須做出我們過去不需要做的選擇。

哪些選擇呢？

如何進行突變，如何重新組合DNA，了解我們希望改進的分子的性質，確定我們應該使用的優化算法。這是一個化學優化問題。

這個領域的研究還有多遠？

我們才剛剛開始。對于我們所研究的大多數問題，我們知道蛋白質或酶會發生什么。所以我們列有一個我們想要改變的參數或屬性的列表。但是，我們還遠遠不能具體地、精確地設計出符合這些參數的序列。因此，我們利用進化來輔助：通過隨機變異DNA并觀察其影響，我們可以探索出真正重要的東西。

我不認為我們很快就能理性地設計出酶，因為我們在這些進化實驗中發現方案非常復雜。他們很難反向設計——識別改進的機理——即使這些序列的變化很小。很難理解這些變化是如何產生新特性的。所以這對理性設計來說不是很好。但是沒關系!這沒關系，是因為進化是有效的。我們有一個很好的機制來解決生物學應用的問題，就是通過設計進化系統來獲得新的有效的特性。

那么這個實驗是什么樣的呢？

預先設定好參數。如果你想要一種更穩定的酶，或者你想要一種在新環境下工作的酶，又或者在新的基質上進行反應，這些就是你為進化優化設定的參數。

你事先不知道哪種特定的氨基酸替換會產生這種情況。因此隨機地制造突變，然后通過篩選找到那些有效的突變。我們通常用微生物制造突變酶，并簡單地在96孔板上進行篩選，通過迭代誘變和篩選積累有益的突變。

當你對改進酶的基因編碼排序時，你會發現有益的突變發生在哪里。催化是非常敏感的：蛋白質結構或順序的微小變化就會導致催化性質的可測量變化，有時這些變化發生在化學發生的活性位點30 ?之外。很難將效果歸因于結構、動力學、氫鍵或靜電作用的特定變化。但是定向進化可以發現這些變化。

您來自化學工程方向，是什么吸引您來這個課題呢？

我轉向生物和酶設計，因為我發現酶很吸引人。不像其他的化學，材料學，電子學的設計，我們有進化。我們很幸運。酶非常復雜，但是我們有一個很好的算法可以對它們進行設計。

那么您認為我們用生物學主要能夠解決什么樣的問題呢？

其中最大的一個問題是如何利用可再生資源：如何以植物材料的形式利用陽光和二氧化碳從而取代化石燃料？這就是我研究的方向。但是，還有許多生物技術的應用可以通過進化方法來改進，比如尋找新的藥物或工業催化劑。

怎么能確保您創造出的東西不會失控呢？

我說的是制造蛋白質。蛋白質不是活的，它們不會失控。當然，有些人對合成生物學很擔心。我只能說，我非常努力地確保這項技術被用于好的方面。

如果我們想要保持我們習慣的生活水平，甚至與我們習慣的生活保持密切聯系，我們就必須更明智地使用資源。生物學是智慧地利用資源的專家。

您對未來有什么看法？

對生物化學和生物化學工程而言，有一個令人興奮的前沿領域，就是創造出一種蛋白質，將天然氨基酸和生物所使用的分子團的字母表擴展到20種以上。如果你利用化學知識，比如有機催化或無機化學，你可以擴展生物中的化學成分。現在想想那些無法通過自然生物獲得的化學機理。許多新的化學成分會破壞蛋白質的完整性和功能，但是進化可以恢復這些功能，并探索這些新功能所能發揮的作用。

這些想法是我們在不久的將來就會看到的。在這個新的領域里，還有很多創造和想象的空間。

感謝您接受本次采訪。

代表論文：

1. Cytochrome P450: Taming a Wild Type Enzyme

S. T. Jung, R. Lauchli, F. H. Arnold,

Curr.Opin. Biotechnol. 2011, 22. DOI: 10.1016/j.copbio.2011.02.008

2. A Panel of Cytochrome P450 BM3 Variants toProduce Drug Metabolites and Diversify Lead Compounds

A. M. Sawayama, M. M. Chen, P.Kulanthaivel, M. S. Kuo, H. Hemmerle, F. H. Arnold,

Chem.Eur. J. 2009,15(43), 11723–11729. DOI: 10.1002/chem.200900643

3. Exploring Protein Fitness Landscapes byDirected Evolution,

P. Romero, F. H. Arnold,

Nat.Rev. Mol. Cell Biology 2009, 10, 866–876. DOI: 10.1038/nrm2805

4. A Family of Thermostable Fungal CellulasesCreated by Structure-Guided Recombination,

P. Heinzelman, C. D. Snow, I. Wu, C.Nguyen, A. Villalobos, S. Govindarajan, J. Minshull, F. H. Arnold,

Proc.Natl. Acad. Sci. 2009, 106, 5610–5615. DOI: 10.1073/pnas.0901417106

5. A Synthetic Multicellular System forProgrammed Pattern Formation

S. Basu, Y. Gerchman, C. H. Collins, F. H.Arnold, R. Weiss,

Nature 2005, 434(7037), 1130–1134. DOI: 10.1038/nature03461

如希望發表科研新聞或申請信息分享，請聯系：

ASNChina@wiley.com