2018年諾貝爾化學獎
北京時間10月3日下午,2018年諾貝爾化學獎揭曉,用一句話劃出重點:來自美國和英國的三位科學家因為將“進化”引入實驗室創(chuàng)造出新型化學品而獲獎,其中一位是女性科學家。
他們是:
美國科學家弗朗西絲阿諾德(Frances H。 Arnoid)、喬治史密斯(George P。 Smith)和英國科學家格雷戈里溫特(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。
● 掌控進化,是今年諾獎化學獎的關(guān)鍵詞。
“化學獎又雙叒叕成理綜獎了?”
“化學獎又頒給了生物學家?”
“我們感到很失望!”
得知這個消息的第一時間,搞化學的小伙伴們哭暈在十一黃金周的人山人海中。
不過,事實并沒有那么悲觀。
化學,是和物理、生物一樣的一級學科,總結(jié)的是分子、原子層面的規(guī)律。
評價化學家在基礎(chǔ)科學領(lǐng)域的最高成就,無外乎發(fā)現(xiàn)新元素、發(fā)展出新反應(yīng)和搞出新產(chǎn)物這幾點。
例如,1911年頒給居里夫人發(fā)現(xiàn)釙和鐳,2005年頒給伊夫肖萬等人發(fā)展烯烴復(fù)分解反應(yīng)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(yīng),1987年頒給唐納德克拉姆等人合成的大環(huán)聚醚化學等。
那,今年這個關(guān)于進化的故事,為啥是一個不折不扣的化學獎?
根據(jù)諾貝爾化學委員會主席克拉斯古斯塔夫松(Claes Gustafsson)的發(fā)言:“今年的諾貝爾化學獎獎勵的是一場基于進化的革命。我們的獲獎?wù)咭呀?jīng)在試管中應(yīng)用了達爾文的原理,并利用這種方法開發(fā)出造福人類的新型化學品?!?/p>
所以,首先,基于獲獎?wù)叩墓ぷ?,新!型!化!學!品!被創(chuàng)造出來。
● 讓我們再看看三位科學家的具體工作:
1993年,弗朗西絲阿諾德進行了第一次酶的定向進化,酶是催化化學反應(yīng)的蛋白質(zhì)。
此后,她改進了目前用于開發(fā)新型催化劑的常規(guī)方法。
弗朗西絲阿諾德的酶的用途包括生產(chǎn)環(huán)境更友好的化學物質(zhì),如制藥以及為更加綠色的運輸環(huán)節(jié)進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。
第一個藥物阿達木單抗于2002年獲批,用于治療類風濕關(guān)節(jié)炎、銀屑病和炎癥性腸病。
阿達木單抗的化學結(jié)構(gòu)式
第二,從方法論上看,三位科學家都借鑒生物學的反應(yīng)方法產(chǎn)生新化學物質(zhì),化學領(lǐng)域新時代已經(jīng)開啟。
除了產(chǎn)生新物質(zhì),還創(chuàng)造了新反應(yīng),他們搞的是不折不扣的化學?。?/p>
所以,這不是化學獎是什么獎?!
● 縱觀最近五年諾貝爾化學獎,充分說明一個道理:想得諾貝爾獎嗎?去搞化學吧!
2013年,頒給三位化學家在為復(fù)雜化學系統(tǒng)創(chuàng)立了多尺度模型上的成就(很化學)
2014年,頒給三位物理學家在超分辨率顯微鏡上的成就
2015年,頒給三位生物學家在DNA修復(fù)機制上的成就
2016年,頒給三位化學家在分子機器上的成就(很化學too)
2017年,頒給Jacques Dubochet等三位生物物理學及分子生物學科學家在冷凍電鏡上的成就(理綜獎無疑)
正如《科學》雜志報道,澳大利亞墨爾本皇家理工大學化學家奧利弗瓊斯(Oliver Jones)在英國科學媒介中心發(fā)布的一份聲明中說:“化學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(xiàn)能夠得到認可非常好?!?/p>
來看看中國科學家怎么說吧
Q1:酶的定向進化的科學意義何在?
華南理工大學生物科學與工程學院院長林章凜:
從蒸汽時代開始,人類總是希望能理性設(shè)計出一些分子,比如化學分子現(xiàn)在已經(jīng)能設(shè)計得很好。但是,生物分子和生物體系是比較復(fù)雜的。
1990年以前,人類一直想理性設(shè)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,坦率承認人類到目前為止還沒有很好的辦法理性設(shè)計生物分子如蛋白質(zhì),應(yīng)該轉(zhuǎn)而學習自然進化。
她在實驗室中模擬自然界的自然進化,通過隨機突變、隨機雜交,再加以適當規(guī)模的篩選或者選擇,來進化出新的生物分子。
這對于生物化學界來說,是一種哲學和方法學的巨大貢獻。
阿諾德這種哲學和方法學上的突破可以應(yīng)用到多個領(lǐng)域。
例如,工業(yè)上可以進化出一些有用的酶,用來綠色制造。
全球最大的工業(yè)酶企業(yè)諾維信公司所開發(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(yīng)用到生物醫(yī)藥領(lǐng)域。
浙江大學生物工程研究所教授于洪?。?/p>
傳統(tǒng)的生物催化劑的開發(fā),通常是在自然界中篩選。
比如從土壤中、水中進行天然的篩選方法,但是這種周期很長,而且效率也偏低。
酶的定向進化技術(shù),它是從基因水平對其進行改造,讓它表達出和原來野生型不同的,或者是性質(zhì)得到提高的生物催化劑。
那么中間過程到底發(fā)生什么了呢?主要是在基因擴增過程中,不斷地發(fā)生突變,來模擬自然進化中發(fā)生的突變。
然后,再通過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。
酶的定向進化的真正意義在于,它從分子水平上對酶進行改造,根據(jù)我們的意愿,根據(jù)實際需求,有針對性的開發(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獎?
中科院廣州生物醫(yī)藥與健康研究院研究員李懿:
1986年,那時我大學將要畢業(yè),格雷戈里溫特爵士在倫敦皇家學院講蛋白質(zhì)工程和治療性單克隆抗體方面的研究時,就提到過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,但是并沒有頒發(fā)給他,應(yīng)該說當時還需要證據(jù)讓人們看到這個技術(shù)能為人類帶來多大的好處。
今年授予他諾貝爾化學獎,可以說明諾貝爾獎評委對抗體噬菌體展示領(lǐng)域的深入觀察,在過去已經(jīng)為免疫學和人類作出了關(guān)鍵性的貢獻。我覺得這一技術(shù)平臺還會在將來作出更多的貢獻。
喬治史密斯是第一位在《科學》雜志上發(fā)表利用噬菌體展示技術(shù)進行短肽分子展示的科學家。
這一技術(shù)的發(fā)明實現(xiàn)了基因與表現(xiàn)型(蛋白/短肽)直接的連接,并可根據(jù)表現(xiàn)型篩選出相應(yīng)的基因。
當時,我就認為是繼孟德爾之后生物領(lǐng)域最偉大的發(fā)現(xiàn)之一。
因為這一技術(shù)實現(xiàn)了在短短兩周內(nèi)由表現(xiàn)型篩選出其編碼基因。這讓人們可以幾乎任意地挑選(設(shè)計)所需要的蛋白/短肽。
經(jīng)過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。
Q3:和獲獎?wù)哂心男巴隆保?/p>
于洪巍:
我2005年至2006年在阿諾德實驗室工作過,我那時候在新加坡讀博士后然后去她實驗室做訪問。那時候她正患了癌癥,我還記得她那時候剃著光頭,但是她非常積極樂觀,這一點讓我非常感動。
林章凜:
1996年至1999年期間,我在加州理工學院阿諾德教授實驗室做博士后。
她是我見過的最聰明的人,能解決別人解決不了的問題,因此也成為美國非常少的科學院、工程院和醫(yī)學院“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,她對科學的基本問題持有極大研究興趣,比如對進化的原動力有好奇心。
這些對科學基本問題的研究往往會帶來重大技術(shù)突破。這一點對我們的教育和科研體制有很大啟發(fā)。
憑借1993年的酶定向進化成果,阿諾德教授順利拿到加州理工學院的終身教授。
這也說明美國的科研體制不是看文章數(shù)量,而主要看對科學的原創(chuàng)性貢獻。
Q4:中國科學家在上述獲獎領(lǐng)域的研究如何?
于洪?。?/p>
在我國,在工業(yè)上應(yīng)用的很多酶也都是在實驗室里通過對酶在分子水平上進行改造后,提高它各方面的性能,然后投入實際的生產(chǎn)當中。
而且隨著合成生物學技術(shù)的不斷發(fā)展,在代謝過程中的一些關(guān)鍵酶,也越來越多的采用定向計劃的技術(shù)來進行改造,來提高代謝過程中關(guān)鍵酶的催化性質(zhì)。
我們實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行催化,我們很重要的工作是細胞內(nèi)代謝過程中一些酶進行改造,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(yīng)用,基礎(chǔ)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家開展科學研究,才能繼續(xù)推進新技術(shù)的原創(chuàng)性研發(fā)。
Q5:是不是真“化學獎”?
李懿:
我們看到,今年的諾貝爾醫(yī)學獎和化學獎,都授予了與免疫學有關(guān)的研究,這讓我們非常震驚,在免疫學領(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)出來的,現(xiàn)在授予他們是非常正確的。
噬菌體展示技術(shù)在定向分子進化過程中發(fā)揮非常大的作用,不僅能夠篩選出不同結(jié)構(gòu)的分子,還能篩選不同的酶以及他們的活性,這是化學和生物的交叉地帶。
上海交通大學化學化工學院教授張萬斌:
獲獎科學家用生物的方法來轉(zhuǎn)變化學物質(zhì),獲得新的化學物質(zhì),這應(yīng)當被視為是在化學上的突破。
于洪?。?/p>
我想這里可能存在一個誤區(qū),生物技術(shù)或者說是生物催化,主要是解決的是有機合成中的關(guān)鍵問題,也就是說化學催化過程中那些催化效率低,或者用化學催化劑很難合成的化學分子,生物催化劑就能展示出來它應(yīng)有的優(yōu)勢。所以酶工程的工作主要還是為化學服務(wù)的,不能簡單的區(qū)分開究竟是做化學的還是生物的。
這次諾獎的頒發(fā)讓我感覺諾獎的頒獎風向標好像有所改變,往應(yīng)用技術(shù)的方向有所傾斜。
林章凜:
生物化學是化學的一個分支,屬于經(jīng)典化學的范疇,有很長的研究歷史,并不是新興交叉學科。從最近十來年的化學獎獲獎成果也可以看出,其中很多給了生物化學。
Q6:為何鐘情于生物領(lǐng)域?
中國工程院院士、北京化工大學校長譚天偉:
諾貝爾化學獎多次授予與化學有關(guān)交叉學科,也許側(cè)重點或者出發(fā)點是從生物角度,但是其實很多都是跟化學有關(guān)的,例如原先的PCR(聚合酶鏈式反應(yīng))。
什么是化學?從定義上看,由于化學反應(yīng)產(chǎn)生新的分子、新的物質(zhì)都屬于化學過程。
很多化學過程產(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。
這實際上本質(zhì)上是一種化學過程、化學反應(yīng)。而這更體現(xiàn)出化學學科的開放與包容,涉及面更寬,化學和其他學科的交融性很強。
中科院院士、中國科學院上海有機化學研究所所長丁奎嶺:
無論是物理學家還是生物學家,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)上其實還是化學研究的分子科學范疇。
這次獲獎體現(xiàn)了生物與化學的交叉與融合,盡管是生物學家做出的事情,但他們促進了從分子水平認知生物體的變化。
化學家其實也在努力改變生物和材料等領(lǐng)域,化學家的很多工作,也在不斷深刻影響著生物和材料領(lǐng)域。
比如2001年諾貝爾化學獎得主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,提出了點擊化學概念,就是希望通過發(fā)展最好的化學方法,能夠徹底影響和改變其他領(lǐng)域,事實上他的點擊化學已經(jīng)在生物,醫(yī)藥和材料領(lǐng)域發(fā)揮了巨大作用。
這也印證了一個說法,出創(chuàng)新的東西,要么在交叉、要么去深挖,只有到了科學的“無人區(qū)”,才會有所發(fā)現(xiàn)和創(chuàng)新。