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2018年度诺贝尔化学奖又双叒叕成理综奖?不存在的!

来源:科学网微信公众号

北京时间10月3日下午,2018年诺贝尔化学奖揭晓,用一句话划出重点:来自美国和英国的三位科学家因为将“进化”引入实验室创造出新型化学品而获奖,其中一位是女性科学家。

他们是——

美国科学家弗朗西丝•阿诺德(Frances H。 Arnoid)、乔治•史密斯(George P。 Smith)和英国科学家格雷戈里•温特(Sir Gregory P。 Winter)。

在分奖金方面,弗朗西丝•阿诺德因研究酶的定向进化而分享一半奖金,而乔治•史密斯和格雷戈里•温特因研究多肽和抗体的噬菌体展示技术而共享另一半奖金。

● 掌控进化,是今年诺奖化学奖的关键词。

“化学奖又双叒叕成理综奖了?”

“化学奖又颁给了生物学家?”

“我们感到很失望!”

得知这个消息的第一时间,搞化学的小伙伴们哭晕在十一黄金周的人山人海中。

不过,事实并没有那么悲观。

化学,是和物理、生物一样的一级学科,总结的是分子、原子层面的规律。

评价化学家在基础科学领域的最高成就,无外乎发现新元素、发展出新反应和搞出新产物这几点。

例如,1911年颁给居里夫人发现钋和镭,2005年颁给伊夫•肖万等人发展烯烃复分解反应及2010年颁给理查德•赫克等人发展钯催化的交叉偶联反应,1987年颁给唐纳德•克拉姆等人合成的大环聚醚化学等。

那,今年这个关于进化的故事,为啥是一个不折不扣的化学奖?

根据诺贝尔化学委员会主席克拉斯•古斯塔夫松(Claes Gustafsson)的发言:“今年的诺贝尔化学奖奖励的是一场基于进化的革命。我们的获奖者已经在试管中应用了达尔文的原理,并利用这种方法开发出造福人类的新型化学品。”

所以,首先,基于获奖者的工作,新!型!化!学!品!被创造出来。

● 让我们再看看三位科学家的具体工作:

1993年,弗朗西丝•阿诺德进行了第一次酶的定向进化,酶是催化化学反应的蛋白质。

此后,她改进了目前用于开发新型催化剂的常规方法。

弗朗西丝•阿诺德的酶的用途包括生产环境更友好的化学物质,如制药以及为更加绿色的运输环节进行可再生燃料的生产。

来源:

http://www.che.caltech.edu/groups/fha/Pictures.htm

1985年,乔治•史密斯发明了一种被称为噬菌体展示的良好方法。

作为一种感染细菌的病毒,噬菌体在新的方法下“进化”出了新的蛋白质。

随后,格雷戈里•温特完成了抗体的定向演化,并以此生产出新的药物。

第一个药物阿达木单抗于2002年获批,用于治疗类风湿关节炎、银屑病和炎症性肠病。

阿达木单抗的化学结构式

第二,从方法论上看,三位科学家都借鉴生物学的反应方法产生新化学物质,化学领域新时代已经开启。

除了产生新物质,还创造了新反应,他们搞的是不折不扣的化学啊!

所以,这不是化学奖是什么奖?!

● 纵观最近五年诺贝尔化学奖,充分说明一个道理:想得诺贝尔奖吗?去搞化学吧!

2013年,颁给三位化学家在为复杂化学系统创立了多尺度模型上的成就(很化学)

2014年,颁给三位物理学家在超分辨率显微镜上的成就

2015年,颁给三位生物学家在DNA修复机制上的成就

2016年,颁给三位化学家在分子机器上的成就(很化学too)

2017年,颁给Jacques Dubochet等三位生物物理学及分子生物学科学家在冷冻电镜上的成就(理综奖无疑)

正如《科学》杂志报道,澳大利亚墨尔本皇家理工大学化学家奥利弗•琼斯(Oliver Jones)在英国科学媒介中心发布的一份声明中说:“化学在我们的生活中支撑了很多东西,尽管它并不总是那么明显,所以这些发现能够得到认可非常好。”

So,化学是你、化学是我……

来看看中国科学家怎么说吧

Q1:酶的定向进化的科学意义何在?

华南理工大学生物科学与工程学院院长林章凛:

从蒸汽时代开始,人类总是希望能理性设计出一些分子,比如化学分子现在已经能设计得很好。但是,生物分子和生物体系是比较复杂的。

1990年以前,人类一直想理性设计蛋白质,却一直不太成功。

弗朗西丝•阿诺德教授的巨大原创性贡献在于,坦率承认人类到目前为止还没有很好的办法理性设计生物分子如蛋白质,应该转而学习自然进化。

她在实验室中模拟自然界的自然进化,通过随机突变、随机杂交,再加以适当规模的筛选或者选择,来进化出新的生物分子。

这对于生物化学界来说,是一种哲学和方法学的巨大贡献。

阿诺德这种哲学和方法学上的突破可以应用到多个领域。

例如,工业上可以进化出一些有用的酶,用来绿色制造。

全球最大的工业酶企业诺维信公司所开发和生产的多种工业酶,就是利用了这种方法。这种方法同样可应用到生物医药领域。

浙江大学生物工程研究所教授于洪巍:

传统的生物催化剂的开发,通常是在自然界中筛选。

比如从土壤中、水中进行天然的筛选方法,但是这种周期很长,而且效率也偏低。

酶的定向进化技术,它是从基因水平对其进行改造,让它表达出和原来野生型不同的,或者是性质得到提高的生物催化剂。

那么中间过程到底发生什么了呢?主要是在基因扩增过程中,不断地发生突变,来模拟自然进化中发生的突变。

然后,再通过高通量的筛选方法把我们所需要的,具有我们想要的特征的生物催化剂,把它筛选出来。

酶的定向进化的真正意义在于,它从分子水平上对酶进行改造,根据我们的意愿,根据实际需求,有针对性的开发生物催化剂。

Q2:为何短肽和抗体的噬菌体展示技术可以获得今年诺贝尔化学奖?

中科院广州生物医药与健康研究院研究员李懿:

1986年,那时我大学将要毕业,格雷戈里•温特爵士在伦敦皇家学院讲蛋白质工程和治疗性单克隆抗体方面的研究时,就提到过如何用抗体做药的概念。

早在上世纪90年代他的人源化抗体技术就获得诺贝尔奖提名,但是并没有颁发给他,应该说当时还需要证据让人们看到这个技术能为人类带来多大的好处。

今年授予他诺贝尔化学奖,可以说明诺贝尔奖评委对抗体噬菌体展示领域的深入观察,在过去已经为免疫学和人类作出了关键性的贡献。我觉得这一技术平台还会在将来作出更多的贡献。

乔治•史密斯是第一位在《科学》杂志上发表利用噬菌体展示技术进行短肽分子展示的科学家。

这一技术的发明实现了基因与表现型(蛋白/短肽)直接的连接,并可根据表现型筛选出相应的基因。

当时,我就认为是继孟德尔之后生物领域最伟大的发现之一。

因为这一技术实现了在短短两周内由表现型筛选出其编码基因。这让人们可以几乎任意地挑选(设计)所需要的蛋白/短肽。

经过30多年的技术的发展,已产生了很多有用的短肽和抗体,并且造福人类。

Q3:和获奖者有哪些“往事”?

于洪巍:

我2005年至2006年在阿诺德实验室工作过,我那时候在新加坡读博士后然后去她实验室做访问。那时候她正患了癌症,我还记得她那时候剃着光头,但是她非常积极乐观,这一点让我非常感动。

林章凛:

1996年至1999年期间,我在加州理工学院阿诺德教授实验室做博士后。

她是我见过的最聪明的人,能解决别人解决不了的问题,因此也成为美国非常少的科学院、工程院和医学院“三院”院士之一。

除了聪明,我对阿诺德教授印象非常深刻的是,她对科学的基本问题持有极大研究兴趣,比如对进化的原动力有好奇心。

这些对科学基本问题的研究往往会带来重大技术突破。这一点对我们的教育和科研体制有很大启发。

凭借1993年的酶定向进化成果,阿诺德教授顺利拿到加州理工学院的终身教授。

这也说明美国的科研体制不是看文章数量,而主要看对科学的原创性贡献。

Q4:中国科学家在上述获奖领域的研究如何?

于洪巍:

在我国,在工业上应用的很多酶也都是在实验室里通过对酶在分子水平上进行改造后,提高它各方面的性能,然后投入实际的生产当中。

而且随着合成生物学技术的不断发展,在代谢过程中的一些关键酶,也越来越多的采用定向计划的技术来进行改造,来提高代谢过程中关键酶的催化性质。

我们实验室在这方面做了大量的工作,不仅仅单纯对单一的酶在体外进行催化,我们很重要的工作是细胞内代谢过程中一些酶进行改造,提高它的代谢效率。

李懿:

我国在噬菌体展示领域处在“紧跟”的状态,国外的噬菌体展示技术经过几十年的积累沉淀,才有了20世纪80年代末期的发明成果。

目前我国在科研方面的投入偏向于应用,基础研究领域需要加大科研经费投入,尤其是要支持年轻科学家开展科学研究,才能继续推进新技术的原创性研发。

Q5:是不是真“化学奖”?

李懿:

我们看到,今年的诺贝尔医学奖和化学奖,都授予了与免疫学有关的研究,这让我们非常震惊,在免疫学领域,这是爆发性的成果。

很明显,有非常重要的临床药物是由噬菌体技术研发出来的,现在授予他们是非常正确的。

噬菌体展示技术在定向分子进化过程中发挥非常大的作用,不仅能够筛选出不同结构的分子,还能筛选不同的酶以及他们的活性,这是化学和生物的交叉地带。

上海交通大学化学化工学院教授张万斌:

获奖科学家用生物的方法来转变化学物质,获得新的化学物质,这应当被视为是在化学上的突破。

于洪巍:

我想这里可能存在一个误区,生物技术或者说是生物催化,主要是解决的是有机合成中的关键问题,也就是说化学催化过程中那些催化效率低,或者用化学催化剂很难合成的化学分子,生物催化剂就能展示出来它应有的优势。所以酶工程的工作主要还是为化学服务的,不能简单的区分开究竟是做化学的还是生物的。

这次诺奖的颁发让我感觉诺奖的颁奖风向标好像有所改变,往应用技术的方向有所倾斜。

林章凛:

生物化学是化学的一个分支,属于经典化学的范畴,有很长的研究历史,并不是新兴交叉学科。从最近十来年的化学奖获奖成果也可以看出,其中很多给了生物化学。

Q6:为何钟情于生物领域?

中国工程院院士、北京化工大学校长谭天伟:

诺贝尔化学奖多次授予与化学有关交叉学科,也许侧重点或者出发点是从生物角度,但是其实很多都是跟化学有关的,例如原先的PCR(聚合酶链式反应)。

什么是化学?从定义上看,由于化学反应产生新的分子、新的物质都属于化学过程。

很多化学过程产生新的分子,或者为了产生新的分子,都用了生物的方式产生。

这实际上本质上是一种化学过程、化学反应。而这更体现出化学学科的开放与包容,涉及面更宽,化学和其他学科的交融性很强。

中科院院士、中国科学院上海有机化学研究所所长丁奎岭:

无论是物理学家还是生物学家,他们都为分子水平认知世界提供了创新的工具和方法,所研究的领域本质上其实还是化学研究的分子科学范畴。

这次获奖体现了生物与化学的交叉与融合,尽管是生物学家做出的事情,但他们促进了从分子水平认知生物体的变化。

化学家其实也在努力改变生物和材料等领域,化学家的很多工作,也在不断深刻影响着生物和材料领域。

比如2001年诺贝尔化学奖得主Barry Sharpless教授,在1998年就抛弃了自己有望获诺奖的手性催化领域,提出了点击化学概念,就是希望通过发展最好的化学方法,能够彻底影响和改变其他领域,事实上他的点击化学已经在生物,医药和材料领域发挥了巨大作用。

这也印证了一个说法,出创新的东西,要么在交叉、要么去深挖,只有到了科学的“无人区”,才会有所发现和创新。

综上,今年诺贝尔化学奖就是真化学奖!不服来辩,留言区欢迎您~

(作者:中国科学报记者甘晓 陈欢欢 见习记者高雅丽 程唯珈,中国科学报记者黄辛对本文亦有贡献)

阿诺德,化学,噬菌体

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