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美英三學者奪化學獎 演化新蛋白 助研牛皮癬藥


[2018-10-03] - 234人點閱
瑞典皇家科學院昨日公佈本年度諾貝爾化學獎得主,研究酶定向演化的美國女科學家阿諾德,成為歷來第5位女性奪化學獎,獲得一半獎金,美國科學家史密斯和英國科學家溫特則憑噬菌體、縮氨酸和抗體研究,瓜分另外半份獎金。評審形容3人掌握酶進化原理,有助人類福祉,其中溫特的抗體研究更成為生物製劑「阿達莫單抗」(Adalimumab,又名Humira)的開發基礎,對類風濕關節炎、牛皮癬等免疫系統疾病療效顯著。

「酶」存在於有機體,是化學反應的催化劑,阿諾德等科學家在1980年代,一直希望研究新類型的酶。然而由於酶由多種胺基酸組成,結構非常複雜,科學家無法直接合成化學反應更強的酶,阿諾德最後決定循演化方向尋求答案。

阿諾德進化技術製生物燃料

生物在進化過程中,會改變和選擇基因,只有適合條件者才可生存,其他基因則會被摒棄。阿諾德1993年成功進行酶定向進化實驗,她向枯草桿菌蛋白酶的基因隨機加入突變體,其後篩選出與有機溶劑二甲基甲酰胺(DMF)化學反應較強的樣本,然後重複加入新突變體的過程。

結果到第3輪演化時,個別枯草桿菌蛋白酶與DMF的化學反應強度,已較起初的樣本高256倍,該樣本包含10種不同基因突變體,若使用傳統方式,估計需花極多時間才能發現該基因組合。科學家其後基於阿諾德的研究結果,讓酶在試管中進化,令進化更具效率。

阿諾德其後利用進化技術,生產各類化學催化劑,包括把甘蔗等植物轉換為生物燃料,取代傳統化石燃料,亦可製造更環保和有效的化學清潔劑,甚至可用於製造新藥物。

史密斯「噬菌體展示」技術製新蛋白

史密斯和溫特的研究則主要用於醫學,其中史密斯在1980年代研究「噬菌體展示」技術,並藉此製造新的蛋白。噬菌體是指能感染細菌的病毒,其基因受蛋白保護,只要向細菌注入自己的基因,便能利用細菌的繁殖機制,複製出新的噬菌體和蛋白。

史密斯向噬菌體的脫氧核糖核酸(DNA),注入未知的蛋白基因,當噬菌體形成新的蛋白保護外殼,科學家便能利用抗體,抽取蛋白中的縮氨酸,從而分析蛋白基因。

改變酶特性 方便熱水洗衣

溫特則利用噬菌體展示技術,先製造成千上萬的抗體,結合定向進化方式,逐步改變抗體結構,讓抗體更有效針對人體內的目標,1994年成功找出能針對癌細胞的抗體。溫特其後與科學家合組製藥實驗室,1990年代開發出首種完全基於人類抗體的藥物「阿達莫單抗」。

「阿達莫單抗」主要針對免疫系統疾病中引致發炎的腫瘤壞死因子(TNFα),2002年面世後大受歡迎,也被列入香港醫管局藥物名冊內。由於「阿達莫單抗」療效顯著,科學家此後亦以相近方法,研製出針對轉移性癌症,以至認知障礙症的藥物。

諾獎評審形容,化學獎3名得獎者的研究有助改善化工業環保效益、發展生物能源,亦可對抗疾病、拯救生命,對人類有莫大裨益,也是化學界的重大進化。

與阿諾德是多年好友的台灣中研院院長廖俊智稱,在產業應用上,不論工業或醫療生物科技都會應用蛋白質,舉例說,洗水粉中的酶在熱水中不易穩定的特性,能利用阿諾德的研究改變,使人們可以用熱水洗衣服。
中研院分子生物所研究員趙裕展帶領的研究團隊曾於2013年與阿諾德合作,以其電腦程式改良蛋白質的性質,增加耐熱度,讓纖維素、木屑等材料,得以轉化為酒精,作為再生能源使用。


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