北京時(shí)間10月3日下午，2018年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)揭曉，用一句話劃出重點(diǎn)：來(lái)自美國(guó)和英國(guó)的三位科學(xué)家因?yàn)閷ⅰ斑M(jìn)化”引入實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)造出新型化學(xué)品而獲獎(jiǎng)，其中一位是女性科學(xué)家。

他們是：

美國(guó)科學(xué)家弗朗西絲阿諾德（Frances H。 Arnoid）、喬治史密斯（George P。 Smith）和英國(guó)科學(xué)家格雷戈里溫特（Sir Gregory P。 Winter）。

在分獎(jiǎng)金方面，弗朗西絲阿諾德因研究酶的定向進(jìn)化而分享一半獎(jiǎng)金，而喬治史密斯和格雷戈里溫特因研究多肽和抗體的噬菌體展示技術(shù)而共享另一半獎(jiǎng)金。

● 掌控進(jìn)化，是今年諾獎(jiǎng)化學(xué)獎(jiǎng)的關(guān)鍵詞。

“化學(xué)獎(jiǎng)又雙叒叕成理綜獎(jiǎng)了？”

“化學(xué)獎(jiǎng)又頒給了生物學(xué)家？”

“我們感到很失望！”

得知這個(gè)消息的第一時(shí)間，搞化學(xué)的小伙伴們哭暈在十一黃金周的人山人海中。

不過(guò)，事實(shí)并沒(méi)有那么悲觀。

化學(xué)，是和物理、生物一樣的一級(jí)學(xué)科，總結(jié)的是分子、原子層面的規(guī)律。

評(píng)價(jià)化學(xué)家在基礎(chǔ)科學(xué)領(lǐng)域的最高成就，無(wú)外乎發(fā)現(xiàn)新元素、發(fā)展出新反應(yīng)和搞出新產(chǎn)物這幾點(diǎn)。

例如，1911年頒給居里夫人發(fā)現(xiàn)釙和鐳，2005年頒給伊夫肖萬(wàn)等人發(fā)展烯烴復(fù)分解反應(yīng)及2010年頒給理查德赫克等人發(fā)展鈀催化的交叉偶聯(lián)反應(yīng)，1987年頒給唐納德克拉姆等人合成的大環(huán)聚醚化學(xué)等。

那，今年這個(gè)關(guān)于進(jìn)化的故事，為啥是一個(gè)不折不扣的化學(xué)獎(jiǎng)？

根據(jù)諾貝爾化學(xué)委員會(huì)主席克拉斯古斯塔夫松（Claes Gustafsson）的發(fā)言：“今年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)獎(jiǎng)勵(lì)的是一場(chǎng)基于進(jìn)化的革命。我們的獲獎(jiǎng)?wù)咭呀?jīng)在試管中應(yīng)用了達(dá)爾文的原理，并利用這種方法開(kāi)發(fā)出造福人類的新型化學(xué)品。”

所以，首先，基于獲獎(jiǎng)?wù)叩墓ぷ?，新！型！化！學(xué)！品！被創(chuàng)造出來(lái)。

● 讓我們?cè)倏纯慈豢茖W(xué)家的具體工作：

1993年，弗朗西絲阿諾德進(jìn)行了第一次酶的定向進(jìn)化，酶是催化化學(xué)反應(yīng)的蛋白質(zhì)。

此后，她改進(jìn)了目前用于開(kāi)發(fā)新型催化劑的常規(guī)方法。

弗朗西絲阿諾德的酶的用途包括生產(chǎn)環(huán)境更友好的化學(xué)物質(zhì)，如制藥以及為更加綠色的運(yùn)輸環(huán)節(jié)進(jìn)行可再生燃料的生產(chǎn)。

1985年，喬治史密斯發(fā)明了一種被稱為噬菌體展示的良好方法。

作為一種感染細(xì)菌的病毒，噬菌體在新的方法下“進(jìn)化”出了新的蛋白質(zhì)。

隨后，格雷戈里溫特完成了抗體的定向演化，并以此生產(chǎn)出新的藥物。

第一個(gè)藥物阿達(dá)木單抗于2002年獲批，用于治療類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎、銀屑病和炎癥性腸病。

阿達(dá)木單抗的化學(xué)結(jié)構(gòu)式

第二，從方法論上看，三位科學(xué)家都借鑒生物學(xué)的反應(yīng)方法產(chǎn)生新化學(xué)物質(zhì)，化學(xué)領(lǐng)域新時(shí)代已經(jīng)開(kāi)啟。

除了產(chǎn)生新物質(zhì)，還創(chuàng)造了新反應(yīng)，他們搞的是不折不扣的化學(xué)?。?/p>

所以，這不是化學(xué)獎(jiǎng)是什么獎(jiǎng)？！

● 縱觀最近五年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)，充分說(shuō)明一個(gè)道理：想得諾貝爾獎(jiǎng)嗎？去搞化學(xué)吧！

2013年，頒給三位化學(xué)家在為復(fù)雜化學(xué)系統(tǒng)創(chuàng)立了多尺度模型上的成就（很化學(xué)）

2014年，頒給三位物理學(xué)家在超分辨率顯微鏡上的成就

2015年，頒給三位生物學(xué)家在DNA修復(fù)機(jī)制上的成就

2016年，頒給三位化學(xué)家在分子機(jī)器上的成就（很化學(xué)too）

2017年，頒給Jacques Dubochet等三位生物物理學(xué)及分子生物學(xué)科學(xué)家在冷凍電鏡上的成就（理綜獎(jiǎng)無(wú)疑）

正如《科學(xué)》雜志報(bào)道，澳大利亞墨爾本皇家理工大學(xué)化學(xué)家?jiàn)W利弗瓊斯（Oliver Jones）在英國(guó)科學(xué)媒介中心發(fā)布的一份聲明中說(shuō)：“化學(xué)在我們的生活中支撐了很多東西，盡管它并不總是那么明顯，所以這些發(fā)現(xiàn)能夠得到認(rèn)可非常好?！?/p>

來(lái)看看中國(guó)科學(xué)家怎么說(shuō)吧

Q1：酶的定向進(jìn)化的科學(xué)意義何在？

華南理工大學(xué)生物科學(xué)與工程學(xué)院院長(zhǎng)林章凜：

從蒸汽時(shí)代開(kāi)始，人類總是希望能理性設(shè)計(jì)出一些分子，比如化學(xué)分子現(xiàn)在已經(jīng)能設(shè)計(jì)得很好。但是，生物分子和生物體系是比較復(fù)雜的。

1990年以前，人類一直想理性設(shè)計(jì)蛋白質(zhì)，卻一直不太成功。

弗朗西絲阿諾德教授的巨大原創(chuàng)性貢獻(xiàn)在于，坦率承認(rèn)人類到目前為止還沒(méi)有很好的辦法理性設(shè)計(jì)生物分子如蛋白質(zhì)，應(yīng)該轉(zhuǎn)而學(xué)習(xí)自然進(jìn)化。

她在實(shí)驗(yàn)室中模擬自然界的自然進(jìn)化，通過(guò)隨機(jī)突變、隨機(jī)雜交，再加以適當(dāng)規(guī)模的篩選或者選擇，來(lái)進(jìn)化出新的生物分子。

這對(duì)于生物化學(xué)界來(lái)說(shuō)，是一種哲學(xué)和方法學(xué)的巨大貢獻(xiàn)。

阿諾德這種哲學(xué)和方法學(xué)上的突破可以應(yīng)用到多個(gè)領(lǐng)域。

例如，工業(yè)上可以進(jìn)化出一些有用的酶，用來(lái)綠色制造。

全球最大的工業(yè)酶企業(yè)諾維信公司所開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)的多種工業(yè)酶，就是利用了這種方法。這種方法同樣可應(yīng)用到生物醫(yī)藥領(lǐng)域。

浙江大學(xué)生物工程研究所教授于洪巍：

傳統(tǒng)的生物催化劑的開(kāi)發(fā)，通常是在自然界中篩選。

比如從土壤中、水中進(jìn)行天然的篩選方法，但是這種周期很長(zhǎng)，而且效率也偏低。

酶的定向進(jìn)化技術(shù)，它是從基因水平對(duì)其進(jìn)行改造，讓它表達(dá)出和原來(lái)野生型不同的，或者是性質(zhì)得到提高的生物催化劑。

那么中間過(guò)程到底發(fā)生什么了呢？主要是在基因擴(kuò)增過(guò)程中，不斷地發(fā)生突變，來(lái)模擬自然進(jìn)化中發(fā)生的突變。

然后，再通過(guò)高通量的篩選方法把我們所需要的，具有我們想要的特征的生物催化劑，把它篩選出來(lái)。

酶的定向進(jìn)化的真正意義在于，它從分子水平上對(duì)酶進(jìn)行改造，根據(jù)我們的意愿，根據(jù)實(shí)際需求，有針對(duì)性的開(kāi)發(fā)生物催化劑。

Q2：為何短肽和抗體的噬菌體展示技術(shù)可以獲得今年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)？

中科院廣州生物醫(yī)藥與健康研究院研究員李懿：

1986年，那時(shí)我大學(xué)將要畢業(yè)，格雷戈里溫特爵士在倫敦皇家學(xué)院講蛋白質(zhì)工程和治療性單克隆抗體方面的研究時(shí)，就提到過(guò)如何用抗體做藥的概念。

早在上世紀(jì)90年代他的人源化抗體技術(shù)就獲得諾貝爾獎(jiǎng)提名，但是并沒(méi)有頒發(fā)給他，應(yīng)該說(shuō)當(dāng)時(shí)還需要證據(jù)讓人們看到這個(gè)技術(shù)能為人類帶來(lái)多大的好處。

今年授予他諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)，可以說(shuō)明諾貝爾獎(jiǎng)評(píng)委對(duì)抗體噬菌體展示領(lǐng)域的深入觀察，在過(guò)去已經(jīng)為免疫學(xué)和人類作出了關(guān)鍵性的貢獻(xiàn)。我覺(jué)得這一技術(shù)平臺(tái)還會(huì)在將來(lái)作出更多的貢獻(xiàn)。

喬治史密斯是第一位在《科學(xué)》雜志上發(fā)表利用噬菌體展示技術(shù)進(jìn)行短肽分子展示的科學(xué)家。

這一技術(shù)的發(fā)明實(shí)現(xiàn)了基因與表現(xiàn)型（蛋白/短肽）直接的連接，并可根據(jù)表現(xiàn)型篩選出相應(yīng)的基因。

當(dāng)時(shí)，我就認(rèn)為是繼孟德?tīng)栔笊镱I(lǐng)域最偉大的發(fā)現(xiàn)之一。

因?yàn)檫@一技術(shù)實(shí)現(xiàn)了在短短兩周內(nèi)由表現(xiàn)型篩選出其編碼基因。這讓人們可以幾乎任意地挑選（設(shè)計(jì)）所需要的蛋白/短肽。

經(jīng)過(guò)30多年的技術(shù)的發(fā)展，已產(chǎn)生了很多有用的短肽和抗體，并且造福人類。

Q3：和獲獎(jiǎng)?wù)哂心男巴隆保?/p>

于洪?。?/p>

我2005年至2006年在阿諾德實(shí)驗(yàn)室工作過(guò)，我那時(shí)候在新加坡讀博士后然后去她實(shí)驗(yàn)室做訪問(wèn)。那時(shí)候她正患了癌癥，我還記得她那時(shí)候剃著光頭，但是她非常積極樂(lè)觀，這一點(diǎn)讓我非常感動(dòng)。

林章凜：

1996年至1999年期間，我在加州理工學(xué)院阿諾德教授實(shí)驗(yàn)室做博士后。

她是我見(jiàn)過(guò)的最聰明的人，能解決別人解決不了的問(wèn)題，因此也成為美國(guó)非常少的科學(xué)院、工程院和醫(yī)學(xué)院“三院”院士之一。

除了聰明，我對(duì)阿諾德教授印象非常深刻的是，她對(duì)科學(xué)的基本問(wèn)題持有極大研究興趣，比如對(duì)進(jìn)化的原動(dòng)力有好奇心。

這些對(duì)科學(xué)基本問(wèn)題的研究往往會(huì)帶來(lái)重大技術(shù)突破。這一點(diǎn)對(duì)我們的教育和科研體制有很大啟發(fā)。

憑借1993年的酶定向進(jìn)化成果，阿諾德教授順利拿到加州理工學(xué)院的終身教授。

這也說(shuō)明美國(guó)的科研體制不是看文章數(shù)量，而主要看對(duì)科學(xué)的原創(chuàng)性貢獻(xiàn)。

Q4：中國(guó)科學(xué)家在上述獲獎(jiǎng)?lì)I(lǐng)域的研究如何？

于洪?。?/p>

在我國(guó)，在工業(yè)上應(yīng)用的很多酶也都是在實(shí)驗(yàn)室里通過(guò)對(duì)酶在分子水平上進(jìn)行改造后，提高它各方面的性能，然后投入實(shí)際的生產(chǎn)當(dāng)中。

而且隨著合成生物學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，在代謝過(guò)程中的一些關(guān)鍵酶，也越來(lái)越多的采用定向計(jì)劃的技術(shù)來(lái)進(jìn)行改造，來(lái)提高代謝過(guò)程中關(guān)鍵酶的催化性質(zhì)。

我們實(shí)驗(yàn)室在這方面做了大量的工作，不僅僅單純對(duì)單一的酶在體外進(jìn)行催化，我們很重要的工作是細(xì)胞內(nèi)代謝過(guò)程中一些酶進(jìn)行改造，提高它的代謝效率。

李懿：

我國(guó)在噬菌體展示領(lǐng)域處在“緊跟”的狀態(tài)，國(guó)外的噬菌體展示技術(shù)經(jīng)過(guò)幾十年的積累沉淀，才有了20世紀(jì)80年代末期的發(fā)明成果。

目前我國(guó)在科研方面的投入偏向于應(yīng)用，基礎(chǔ)研究領(lǐng)域需要加大科研經(jīng)費(fèi)投入，尤其是要支持年輕科學(xué)家開(kāi)展科學(xué)研究，才能繼續(xù)推進(jìn)新技術(shù)的原創(chuàng)性研發(fā)。

Q5：是不是真“化學(xué)獎(jiǎng)”？

李懿：

我們看到，今年的諾貝爾醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)和化學(xué)獎(jiǎng)，都授予了與免疫學(xué)有關(guān)的研究，這讓我們非常震驚，在免疫學(xué)領(lǐng)域，這是爆發(fā)性的成果。

很明顯，有非常重要的臨床藥物是由噬菌體技術(shù)研發(fā)出來(lái)的，現(xiàn)在授予他們是非常正確的。

噬菌體展示技術(shù)在定向分子進(jìn)化過(guò)程中發(fā)揮非常大的作用，不僅能夠篩選出不同結(jié)構(gòu)的分子，還能篩選不同的酶以及他們的活性，這是化學(xué)和生物的交叉地帶。

上海交通大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院教授張萬(wàn)斌：

獲獎(jiǎng)科學(xué)家用生物的方法來(lái)轉(zhuǎn)變化學(xué)物質(zhì)，獲得新的化學(xué)物質(zhì)，這應(yīng)當(dāng)被視為是在化學(xué)上的突破。

于洪?。?/p>

我想這里可能存在一個(gè)誤區(qū)，生物技術(shù)或者說(shuō)是生物催化，主要是解決的是有機(jī)合成中的關(guān)鍵問(wèn)題，也就是說(shuō)化學(xué)催化過(guò)程中那些催化效率低，或者用化學(xué)催化劑很難合成的化學(xué)分子，生物催化劑就能展示出來(lái)它應(yīng)有的優(yōu)勢(shì)。所以酶工程的工作主要還是為化學(xué)服務(wù)的，不能簡(jiǎn)單的區(qū)分開(kāi)究竟是做化學(xué)的還是生物的。

這次諾獎(jiǎng)的頒發(fā)讓我感覺(jué)諾獎(jiǎng)的頒獎(jiǎng)風(fēng)向標(biāo)好像有所改變，往應(yīng)用技術(shù)的方向有所傾斜。

林章凜：

生物化學(xué)是化學(xué)的一個(gè)分支，屬于經(jīng)典化學(xué)的范疇，有很長(zhǎng)的研究歷史，并不是新興交叉學(xué)科。從最近十來(lái)年的化學(xué)獎(jiǎng)獲獎(jiǎng)成果也可以看出，其中很多給了生物化學(xué)。

Q6：為何鐘情于生物領(lǐng)域？

中國(guó)工程院院士、北京化工大學(xué)校長(zhǎng)譚天偉：

諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)多次授予與化學(xué)有關(guān)交叉學(xué)科，也許側(cè)重點(diǎn)或者出發(fā)點(diǎn)是從生物角度，但是其實(shí)很多都是跟化學(xué)有關(guān)的，例如原先的PCR（聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)）。

什么是化學(xué)？從定義上看，由于化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生新的分子、新的物質(zhì)都屬于化學(xué)過(guò)程。

很多化學(xué)過(guò)程產(chǎn)生新的分子，或者為了產(chǎn)生新的分子，都用了生物的方式產(chǎn)生。

這實(shí)際上本質(zhì)上是一種化學(xué)過(guò)程、化學(xué)反應(yīng)。而這更體現(xiàn)出化學(xué)學(xué)科的開(kāi)放與包容，涉及面更寬，化學(xué)和其他學(xué)科的交融性很強(qiáng)。

中科院院士、中國(guó)科學(xué)院上海有機(jī)化學(xué)研究所所長(zhǎng)丁奎嶺：

無(wú)論是物理學(xué)家還是生物學(xué)家，他們都為分子水平認(rèn)知世界提供了創(chuàng)新的工具和方法，所研究的領(lǐng)域本質(zhì)上其實(shí)還是化學(xué)研究的分子科學(xué)范疇。

這次獲獎(jiǎng)體現(xiàn)了生物與化學(xué)的交叉與融合，盡管是生物學(xué)家做出的事情，但他們促進(jìn)了從分子水平認(rèn)知生物體的變化。

化學(xué)家其實(shí)也在努力改變生物和材料等領(lǐng)域，化學(xué)家的很多工作，也在不斷深刻影響著生物和材料領(lǐng)域。

比如2001年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)得主Barry Sharpless教授，在1998年就拋棄了自己有望獲諾獎(jiǎng)的手性催化領(lǐng)域，提出了點(diǎn)擊化學(xué)概念，就是希望通過(guò)發(fā)展最好的化學(xué)方法，能夠徹底影響和改變其他領(lǐng)域，事實(shí)上他的點(diǎn)擊化學(xué)已經(jīng)在生物，醫(yī)藥和材料領(lǐng)域發(fā)揮了巨大作用。

這也印證了一個(gè)說(shuō)法，出創(chuàng)新的東西，要么在交叉、要么去深挖，只有到了科學(xué)的“無(wú)人區(qū)”，才會(huì)有所發(fā)現(xiàn)和創(chuàng)新。