诺奖得主Frances H. Arnold专访——酶的定向进化
上周，加州理工大学教授Frances H. Arnold被授予诺贝尔化学奖，以表彰她在生物酶定向进化领域所做出的杰出贡献。早在2011年，Wiley旗下Chemistryviews杂志曾对Frances H. Arnold进行过专访。Vera Koester博士与Arnold教授交流了如何使用实验室进化的方法来制备全新的酶, 以解决人类在医学和可替代能源方面的问题。
我们特将此访谈翻译为中文，让大家一起走进诺奖得主的精彩科研。
原文|Vera Köster （Wiley）
翻译|刘海宇（苏州大学）
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Frances H. Arnold教授（左）Chemistryviews网站编辑Vera Koester博士（右）
进化设计：21世纪的生物科技工程学是您的演讲题目。这里面的含义是什么？
我认为生物学是一个寻找解决21世纪重要问题方法的好方向。要做到这一点，我们必须设计生物系统，也就是对他们的DNA编码进行重组。这是一件非常具有挑战性的事情，但目前已经有一些引人注目的新技术出现了。
重组是什么意思？
重组意味着改变控制生物体行为的DNA的功能。通过改变DNA，从而产生新的功能，例如，可以产生一种可再生燃料或一种化学物质。自然生物已经进化到可以生存和繁殖，但不能解决人类制造可再生燃料或药物的问题。所以如果我们想要通过重组生物来做到，我们就必须重写DNA代码来告诉他们怎么做。这很难做到，我们才刚刚开始学习。
您为什么认为生物工程学是解决人类问题的正确答案？
我的观点是，进化是一种很好的生物学设计的算法。是它导致了当前存在的生物系统的多样性和高功能性。它也是一种可以用来重新设计生物体，从而解决人类问题的算法，例如治疗疾病或持续地制造燃料和化学品。生物学非常聪明，许多解决重要问题的方法都可以通过生物学设计来找到。
要做到这一点，我们必须学会如何“培育”分子，就像我们一直在培育生物体、猫、狗、赛马、信鸽或玉米一样。如果我们能在分子水平上培育，就会产生一系列新的挑战，因为我们必须做出我们过去不需要做的选择。
哪些选择呢？
如何进行突变，如何重新组合DNA，了解我们希望改进的分子的性质，确定我们应该使用的优化算法。这是一个化学优化问题。
这个领域的研究还有多远？
我们才刚刚开始。对于我们所研究的大多数问题，我们知道蛋白质或酶会发生什么。所以我们列有一个我们想要改变的参数或属性的列表。但是，我们还远远不能具体地、精确地设计出符合这些参数的序列。因此，我们利用进化来辅助：通过随机变异DNA并观察其影响，我们可以探索出真正重要的东西。
我不认为我们很快就能理性地设计出酶，因为我们在这些进化实验中发现方案非常复杂。他们很难反向设计——识别改进的机理——即使这些序列的变化很小。很难理解这些变化是如何产生新特性的。所以这对理性设计来说不是很好。但是没关系!这没关系，是因为进化是有效的。我们有一个很好的机制来解决生物学应用的问题，就是通过设计进化系统来获得新的有效的特性。
那么这个实验是什么样的呢？
预先设定好参数。如果你想要一种更稳定的酶，或者你想要一种在新环境下工作的酶，又或者在新的基质上进行反应，这些就是你为进化优化设定的参数。
你事先不知道哪种特定的氨基酸替换会产生这种情况。因此随机地制造突变，然后通过筛选找到那些有效的突变。我们通常用微生物制造突变酶，并简单地在96孔板上进行筛选，通过迭代诱变和筛选积累有益的突变。
当你对改进酶的基因编码排序时，你会发现有益的突变发生在哪里。催化是非常敏感的：蛋白质结构或顺序的微小变化就会导致催化性质的可测量变化，有时这些变化发生在化学发生的活性位点30 Å之外。很难将效果归因于结构、动力学、氢键或静电作用的特定变化。但是定向进化可以发现这些变化。
您来自化学工程方向，是什么吸引您来这个课题呢？
我转向生物和酶设计，因为我发现酶很吸引人。不像其他的化学，材料学，电子学的设计，我们有进化。我们很幸运。酶非常复杂，但是我们有一个很好的算法可以对它们进行设计。
那么您认为我们用生物学主要能够解决什么样的问题呢？
其中最大的一个问题是如何利用可再生资源：如何以植物材料的形式利用阳光和二氧化碳从而取代化石燃料？这就是我研究的方向。但是，还有许多生物技术的应用可以通过进化方法来改进，比如寻找新的药物或工业催化剂。
怎么能确保您创造出的东西不会失控呢？
我说的是制造蛋白质。蛋白质不是活的，它们不会失控。当然，有些人对合成生物学很担心。我只能说，我非常努力地确保这项技术被用于好的方面。
如果我们想要保持我们习惯的生活水平，甚至与我们习惯的生活保持密切联系，我们就必须更明智地使用资源。生物学是智慧地利用资源的专家。
您对未来有什么看法？
对生物化学和生物化学工程而言，有一个令人兴奋的前沿领域，就是创造出一种蛋白质，将天然氨基酸和生物所使用的分子团的字母表扩展到20种以上。如果你利用化学知识，比如有机催化或无机化学，你可以扩展生物中的化学成分。现在想想那些无法通过自然生物获得的化学机理。许多新的化学成分会破坏蛋白质的完整性和功能，但是进化可以恢复这些功能，并探索这些新功能所能发挥的作用。
这些想法是我们在不久的将来就会看到的。在这个新的领域里，还有很多创造和想象的空间。
感谢您接受本次采访。
代表论文：
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
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