在生命數十億年的發展歷程中，進化起到了至關重要的作用。進化是一種偉大的自然力量，科學家則希望能在實驗室里模擬這種力量。

獲得2018年諾貝爾化學獎的是兩位美國科學家和一位英國科學家。諾貝爾獎委員會在最初宣布該獎項時，用深情而充滿詩意的語句告訴大家，3位獲獎者的獲獎理由是“利用進化的力量”。

大腸桿菌在化學物質的 刺激下定向進化出新酶

噬菌體能很好地把融合的抗體蛋白質展示出來

美國女科學家、加利福尼亞理工學院教授弗朗西絲?阿諾德因在定向進化領域做出的開創性工作而獨享一半的獎項。定向進化通過人為模擬進化發生的過程，誘使蛋白質等生物分子的結構發生變化，使之能夠實現特定的功能。值得一提的是，她是第五位獲得諾貝爾化學獎的女性。

美國科學家喬治?史密斯和英國科學家格雷戈里?溫特由于在噬菌體展示技術中的貢獻，分享了另一半的獎項。目前，噬菌體展示技術已經成為藥物開發的重要工具。

兩組獲獎成果的本質都是利用生物細胞中內在的生理過程來實現特定的應用目的，而這個生理過程便是細胞在基因控制下合成蛋白質，它是生物體中永不停息的生化過程。那么，這三位科學家是如何利用定向進化技術的力量駕馭億萬微小分子，從而造福于世的呢？

“進化”一詞代表了一種向上、向前的趨勢，反映到具體的物種身上，就是變得更快、更高、更強、更聰明，或者對某種不利條件具有更加強大的忍耐力。然而，生物體的進化，其內生動力往往是構成生物體的細胞中某些蛋白質的進化。這些進化的蛋白質需要突變的基因來對其進行表達。用生物學的專業說法表述，便是基因突變后，基因對應表達的蛋白質也將發生變化。也就是說，蛋白質的進化實際上也是基因突變后的自然結果。

定向進化是在實驗室中快速完成蛋白質的進化進程

例如，澳大利亞的考拉在漫長的進化過程中，形成了以桉樹葉為主食的習性，而桉樹葉可以產生令絕大多數動物死亡的毒性物質一萜烯。但是，考拉體內與萜烯抗毒相關的基因高度表達，從而令考拉的腎臟可以將萜烯處理成水溶物質排出體外。考拉強健的腎功能，就得益于其中用以分解萜烯的各種酶類在漫長的進化過程中功能不斷地得到加強。

定向進化的根本思路是在人工條件下對蛋白質進行反復的變異和淘汰，從而有選擇性地制造出所希望的蛋白質。具體來說，首先利用DNA合成技術，建立一個含有多種堿基排列順序的變異集團（可以認為是一個DNA庫），再利用這些DNA轉錄出與其結構對應的蛋白質，就可以形成一個含有多種蛋白質的蛋白質庫。這些蛋白質在實現我們具體設定的目標時，必然有功能強弱之分，之后再優中選精。好比在產品開發過程中，淘汰差的方案，僅僅保留其中的優異分子。

到了這一步，好戲才剛開始。科學家選出某優良蛋白質后，將再實施一遍上述工藝的逆過程，將轉錄該蛋白質所對應的DNA結構確定下來，然后利用已經非常成熟的PCR技術（PCR技術是模擬體內DNA的天然復制過程，在體外擴增DNA分子的一種分子生物學技術）大量復制該DNA。而且，在這個復制過程中還可能同時再引入適當的變異，以期進一步提高該蛋白質的效能。這一系列的操作完成之后，就可以在極短的時間內完成蛋白質的躍變性進化。

生物體中可以實現某些特定生化過程的蛋白質就是酶（也有生物酶、蛋白酶等多種叫法）。酶是活細胞制造的某些特殊蛋白質（極少數是RNA或DNA）, 它們參與生物體中的一系列生化反應，通過復雜而精妙的機制調控反應進行的速率、方向以及程度等，堪稱生物體內的“魔法師”。在人體中，酶通常會直接依據基因記錄的遺傳信息在細胞內合成。

酶這一類蛋白質在解決某些具體問題時，往往具有無與倫比的效率和能力。它們的功能是如此令人著迷，以至于人類不光希望弄清它們的運作原理，更想大量獲得它們，從而為我所用。實際上，人工制備的酶已經廣泛用于洗滌劑生產、原油污染處理、生物質燃料制備、有害細菌殺滅等領域。而進化控制技術正是大量制造人工酶的絕佳利器。

人工酶有什么功用

人類目前合成的某些酶已經能夠催化一些極具應用潛力的化學反應。比如，在將大氣中的二氧化碳轉化為燃料有機分子、將大氣中的氮元素與氫元素結合以合成氨等反應中，合成蛋白質的催化效率與無機催化劑相比毫不遜色。

不少東亞人身體中缺乏乳糖水解酶，飲用牛奶之后會產生脹氣、腹瀉等不適。而添加人工乳糖水解酶的各種牛奶，可以極大地緩解飲用牛奶后的不適。

此外，人工酶的應用還包括疾病治療。例如，人工酶有望幫助腸道疾病患者實現在胃中分解谷蛋白，從而減少腸道的壓力。

來源: 江蘇領導干部和公務員科學素質手冊

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