听诺奖得主的“徒孙”,讲讲酶进化的那些事儿

作者: 李振伟

来源: 赛先生

发布日期: 2018-10-11 19:00:00

本文介绍了2018年诺贝尔化学奖得主弗朗西斯•阿诺德在酶的定向进化领域的贡献,以及酶分子定向进化技术的原理和应用。

瑞典当地时间10月3日中午,北京时间下午5:45,2018年诺贝尔化学奖被授予三位生物化学专家。其中,美国科学家弗朗西斯•阿诺德(Frances H. Arnold)获得了一半奖金,以表彰她在酶的定向进化领域所作出的杰出贡献。作为酶催化领域,尤其是分子定向进化的先驱,Frances H. Arnold教授名字可谓是业界周知。正是由于她率先在该技术上的突出成就,才使得酶促生物合成进入了全新的时代。

在理解“酶分子定向进化”技术之前,我们不妨先回顾一下“进化”的基本原则。“物竞天择、适者生存”,达尔文的进化论阐释了物种进化遵循的一些前提和假设,而这套理论可以很容易利用下面这张循环图来解释。当环境发生恶劣变化后,物种繁殖的后代中出现了少数变异,这些变异者比非变异者更适合变化后的恶劣环境,于是它们被环境选择,存活了下来,原来的变异被固化,从而实现了物种的进化。

后来,新一轮环境变化发生,变异、选择和进化的循环再次开启。

正是由于酶定向进化技术的发展,脆弱的天然酶就可以在实验室里,按照人们设定的恶劣环境,实现试管中的进化,摇身一变成为符合工业生产要求的、更加稳定的变异酶。酶定向进化技术的出现,伴随着基因合成、测序成本的下降以及计算机辅助的分子模拟技术的发展,使得生物催化技术极大地拓宽了应用价值。这个时期开始,生物催化技术参与的产品工业化规模开始出现,从而极大地提高了一些化学药物合成的效率。

经过20多年的发展,酶分子定向技术成果丰厚,除了上述提及的在药物合成领域的巨大产业化成就外,该技术在方法论领域的研究也是百发齐放,不断进步。近几年,酶分子定向进化技术已经从原来的1.0时代进入了2.0时代。由于生物信息学的发展,海量关于序列和结构数据被获取,计算机辅助设计和基于结构信息的分析水平进一步提高,从而使得现有的酶分子进化策略越来越采用联合方法实施,并取得了更为明显的效果。

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