利用达尔文的进化论来创造新的分子

1831年，查尔斯 · 达尔文（Charles Darwin）开始了他的举世闻名的航海生涯，对所经之处的奇异的动植物进行了细心观察与研究，5年后返回时，他作出了关于生命现象的伟大真理的发现。他认为：为了在地球上留下遗产，个体之间就会为了生存和产生众多的后代而展开残忍的战斗。

这种竞争主要取决于机遇。例如，有些生物具有抵抗捕食者和吸引异性的特殊本领，而另外一些却不一定具备这些能力。最终，环境——气候、食物源、捕食者——的不断变化，经过许多代后，这种生物的外形和生活方式适应了环境的就生存了下来。

这种适者生存的情景甚至还发生在分子级。地球形成之初，有点变化的化合物必须能自我受制并能和别的化合物竞争，科学家们认为，这些获胜的化合物就会导致更为复杂的生物分子的出现，如今天还存活的有机体。

这就是进化。进化的结果产生了如此多的动物，细胞类型和分子，这中间的每一成员都具有特殊的本领。自从达尔文提出这种论点以来，科学家们对此一直感到惊奇。

近几十年来，研究人员希望利用这种进化论来制造各种药物和催化剂。加州La Jolla斯克里普斯研究所的化学家杰拉尔德 · 乔伊斯（Gerald F. Joyce）说：“人们一直在想，‘我们自己的分子也像自然界那样进化，那该有多好啊！’”

这种梦想开始成为现实，现在，科学家们在实验室里研制出一种导致分子进化的工艺。

已经有12家公司的研究人员在探求试管进化即直接的分子进化。他们宣称，用这种工艺来寻求药物的设计预示着生物工程的新时代已经来临。

试管进化的目标是模拟自然界，科学家们对这一过程已有所了解。研究人员开始用一个分子，精选出它的潜能来执行指定的化学任务。他们复制出许许多多这样的分子，每一个分子的结构略为不同。然后，他们让这一“群体”的每个分子去执行竞争的任务如约束其它的分子，他们丢弃那些失败的分子复制出获胜者。

通过多次重复这一过程，每一次选出最强的分子进行复制，最终科学家将分子进化成他们想要的分子。

用这种方法来设计分子使得研究人员异常兴奋：“这种潜能在自然界花了40多亿年的时间才进化成，”乔伊斯说，“可想而知这种潜能是多么地巨大。”

化学家们认为，试管进化可大大加快新药研制的步伐。这种方法可让研究人员迅速地试验无数个不同分子的疗效，而且这些分子的大部分在自然界根本就不存在。用这种方法几个星期就可找出一种获胜的分子，而化学家用合成法则需要几十年的时间，然而在自然界则需要数百万年才偶尔地出现这种分子。用这种方法，药物开发者们甚至在微生物还没来得及产生抗药性之前就消灭了它们，乔伊斯认为。

从理论上来说，试管进化可让研究人员创造出任何一种分子。正是这种想法促使站在黑板前的科罗拉多州博尔德Nexagen公司的拉里 · 戈尔德（Larry Gold）和克雷格 · 图尔克（Craig Tuerk）发出“啊哈！”的感叹。

“如果你走运的话，就会有不可思议的运气降临”，戈尔德回忆，“我们仿佛看到了……一个奇妙的主意产生了。”两人激动地抓住粉笔头，他说，在黑板上草写下他们的想法。最后，分子进化进入实验室的想法出现了，在1990年8月3日的《科学》上，他们把这一草案称为SELEX。

要想模拟进化，化学家们须能做到三点：复制分子；将任意一变种引入进来；制出适用于某一方面所需要的分子来做试验。最后一步——测试和挑选分子——对研究人员来说并不怎么困难了。80年代中，一种称为聚合酶连锁反应（PCR）的工艺使得复制核甘験单位（oligonucleotide）——组成RNA和DNA的核苷酸链——成为可能。引入独特的变种倒成了最后的障碍，PCR用来复制分子还是可行的。戈尔德和图尔克用这种方法先把这些核苷酸单位随机地连在一起，然后把所有这些技术都归入SELEX。

“这是构成分子库的真正动力，”戈尔德说。他的公司现在正用试管进化来寻找新药。

研究人员还不能用试管来进化所有种类的分子。迄今为止，只有核苷酸单位能够复制，因此这种方法仍然限制在RNA和DNA上。因而，科学家目前正在进化RNA和DNA——携带着生命遗传蓝图的分子——作为药物可产生新的作用。

加州福斯特市Gilead技术公司的董事长迈克尔 · 里奥丹（Michael Riordan）说：“生物技术的过去是用蛋白质，而新的时代将用核苷酸。这种生命的主要分子在药物发现史上还没有研究过。”用RNA和DNA制造出来的药至少有一方面要胜过蛋白质药，他接着说，因为它们不会引起免疫反应。

Gilead公司的科学家是首批接受试管进化并采用它来研究的。由于DNA能够自然地进入细胞核内的各种蛋白质，因此他们认为，他们能够制造出一种能够约束其他蛋白质靶的新DNA。他们决定用试管进化来制造这种DNA，使得它能够约束一种叫做凝血酶的止血蛋白质。

在1992年2月6日的《自然》上，他们介绍了试验结果，他们制出了一种抗凝剂药。研究人员正在用动物（包括猴）来试验他们制出的DNA产品。迄今，这种分子看来能够作为一种有效的抗凝剂来使用，他们的报告发表在6月16日的《血液》上。

Gilead的科学家们先建立起一座巨大的含有几十亿个略为不同的DNA碎片的分子库。然后，他们将这些分子撒在几十亿个凝血酶分子上。应用适者生存原理，研究人员只留下能够约束凝血酶的DNA，抛弃其余的99.9%。挑选出的获胜者复制出新的一代。整个过程重复5次，这个组从一亿亿个DNA分子中精选出一个约束凝血酶最强的DNA分子。

乔伊斯和本所的同事安伯 · 博德里（Amber A. Beaudry）一道将试管进化向前推进了一步、他们对改变核糖酶——组成RNA的一种酶——的催化作用发生了兴趣。在自然界，核糖酶能够在较大的RNA分子中自我剪除。乔伊斯和博德里想要一种能够分裂DNA的核糖酶。这样的一种核糖酶可能具有很高的医用价值，乔伊斯说。例如，用它来剪除侵入病毒中的有害的DNA。

他们开始用分裂DNA能力很差的一种核糖酶来进化。他们制造出1万亿个核糖酶变种，随后把这一群体放到DNA中。然后挑选出能够分裂DNA的这种酶的残片进行复制，创造出一种分裂DNA的新群体。

和Gilead组一样，乔伊斯和博德里也是随机地将变种并入这些核糖酶中。斯克里普斯的研究人员认为，这样这种方法就更接近自然界的活动。经过10代后，他们进化出的核糖酶分裂DNA的能力上升了100倍。他们是在较低的接近生理温度的条件下完成这一进化的。乔伊斯和博德里将他们的成果发表在1992年7月31日的《科学》上。最近，乔伊斯告诉《科学新闻》，他们已进化出了27代，这种新酶分裂DNA的能力已是原先核糖酶的100，000倍。

研究人员想把试管进化扩展到蛋白质，然而他们只是才开始寻找研究的访径。例如，在6月15日的《美国科学院会议录》上，两位科学家报告了他们创造一种能够在有机溶剂中起作用的蛋白酶的进化过程，正常情况下，酶——和有机体一起进化——和水的亲和力更强。化学家们希望研制出能够在更大范围内使用的多功能酶，以便把它们用作工业上的催化剂。

帕萨迪纳加州技术研究所的弗朗西斯 · 阿诺德（Frances H. Arnold）和陈克琴（Keqinchen）（已从麻省理工学院调来）找到了一种解决试管进化蛋白质的好办法。他们用的是和戈尔德、里奥丹、博德里和乔伊斯的同样方法来复制DNA。但是，这次他们选用的是含有编码枯草杆菌蛋白酶（Subtilisin）的断片。实际上，他们用的是一种基因的变种。他们将每一个基因变种插入到一种宿主细菌体内，然后将进化出的枯草杆菌蛋白酶和这种细菌群体分泌出的这种酶进行了对比。

阿诺德和陈还研制出一种选择他们想要的酶的奇妙试验法。在自然界，枯草杆菌蛋白酶从组成某些蛋白质的氨基酸链中分离出。为了对这种枯草杆菌蛋白酶变种的催化能力进行估计，这两位化学家将细菌群体培养在富含蛋白质的琼脂培养基盘中，接着观察围绕它们形成的晕——活性蛋白质降解的标志。然后，他们将这些活性群体移到60%的二甲基甲酰胺（DMF）——一种有机溶剂——盘里，最后，他们造出形成最大的群体作为进化的优胜者，复制出它的基因创造出下一代。

进化试验进行得非常顺利，阿诺德说，她和陈根据需要，在第二代时增加了DMF的浓度，第三代时浓度进一步增加。进化出的枯草杆菌蛋白酶在DMF中的活性比原先酶的活性提高了256倍后，进化试验告一段落。这一结果并不是来自巨大的分子库，而是从4000个群体中选出来的。阿诺德说：“因此可以说，自然界是多么得丰富多彩。”

许多化学家转向用计算机模型来帮助他们设计新的酶和分子——“推理”设计法。计算机模拟利用研究人员对分子形状和化学机理的详尽知识才能进行。通过这样一种艰苦而又细致的工作，制出一个所需要的分子可能需要几年的时间。

这样，试管进化就被称为“非推理”的研究，因为化学家们在不一定完全了解这种分子的作用的情况下也能够设计出这种分子。的确，这种方法需要的是要有一种信念，正像在大海里捞针一样。乔伊斯把它比作“有一锅大杂烩，只要你找出最好的一块。”

阿诺德和陈认为还是试管进化更为有利，因为他们并不知道失去活性的枯草杆菌蛋白酶在溶剂中的作用。尽管缺乏这一知识，试管进化还是能让他们创造出他们想要的酶。只不过6个星期，他们就有了一种新的枯草杆菌蛋白酶，这种新酶可使正在分解的蛋白质向反方向转化：在DMF溶剂里构成长链的氨基酸，阿诺德说。通过研究这种获胜的酶，他们现在对于它的结构已有了更多的了解。

用这种方法并不能使所有的蛋白酶都进化出新的功能，阿诺德补充道。关于枯草杆菌蛋白酶，研究人员幸运地看到了在蛋白质产物转向酶方面取得了一定的进展，而且这种酶在恶劣的有机溶剂的环境中还具有一定的功能。他们发现，每一周期的变种在遗传编码上都有了一定的增进。为了创造出一种接近理想的蛋白质，如果需要把10种变种放在一起会发生什么情况呢？这种情况下，研究人员不一定能够挑选出最好的成员来构成下一代。事实上，他们在向目标迈进的过程中并没有路标作指引。

“因此，试管进化在创造奇妙的酶上并不是万能的，”她告诫。

尽管阿诺德取得了成功，但她还是对用这种方法实践所有的诺言表示怀疑。她认为，用核苷酸单位进化成能满足研究人员的所有要求是不会实现的，这是因为这一化合物也和其他化合物一样，受到共同的结构类型和特有的活性族的制约，而这些正是决定它的组成的功能之所在。“大家好像都这么认为，如果让你拥有一足够大的海洋，就会找到你想要的东西，”阿诺德说，“但是，如果化学家们也这么说，行吗？”

在化学家们找到除RNA和DNA外还能复制其他生物分子的方法之前，全功能的试管进化是不可能实现的。但是自然界的“万能”分子还在不断地进化发展，为我们提供了丰富多彩的研究空间，那么这种可能性会越来越大的。

“进化，”乔伊斯说，“永远不会完结。”

［_Science News，1993年8月7日］