酶,是生命不可缺少的核心物質
“酶”力無窮
酶,是生命不可缺少的核心物質。基因編輯、幹細胞技術、靶向藥物……生命科學中的諸多關鍵技術和產品製造,都離不開酶。隨著現代生物技術的快速發展,科學家們對酶的理解更深入,利用酶、改造酶,這種“綠色製造”,不僅能改善人類的生活,也開啟了設計生命的大門。
1.發現與認識酶,一個久遠的故事
人們對酶的認識,或許可以從酒開始講起。有一種觀點認為酒是這樣起源的:gudailaodongrenminyoulefuyudeliangshihou,jiangtamencunzaikongdesangshudongli。shijianjiule,liangshijiubianchengleyizhongjuyouxiangweideyeti。houlai,zhezhongwuyidefaxianjiubianchengleyouyishidexingwei,niangjiuyouciersheng。dannashiderenmenbingbuqingchu,niangjiudeguochengjiushirenleizuizaoliyongmeidekaiduan——糧食中的糖類之所以能夠變為酒精,就是酶在起作用。
今天,我們已經知道,酶,是一類由細胞產生的生物大分子催化劑。
meidebenzhishijuyoucuihuaxiaonengdedanbaizhi,tamendekongjianjiegoufuzaerduoyang。dangyizhongwuzhixuyaozhuanhuaweilingyizhongwuzhishi,youshixuyaoxiandadaoyigehengaodenengliangjibie,youdehuaxuefanyingyinweixuyaoyueguozhegexianggaoshanyiyangdenengji,sui“望而卻步”或“緩緩而行”;而大自然會使用酶來削低這座山的高度,加速轉化過程,科學家們稱它為“生物催化”。目前已知的酶可以催化超過數千種生化反應。正因為有酶的存在,生物才能進行生長、代謝、發育、繁殖等生命活動。
從無意識地利用,到科學地認知,人們對酶的認識經曆了一個漫長而久遠的過程。
19世紀,人們逐步發現食物在胃中能夠被消化,植物的提取液可以將澱粉轉化為糖等現象,從而初步認識了酶的催化作用。1878年,生理學家Wilhelm Friedrich [~符號~]首次提出了酶的概念。1897年,德國科學家Eduard Buchner開kai始shi對dui不bu含han細xi胞bao的de酵jiao母mu提ti取qu液ye進jin行xing發fa酵jiao研yan究jiu,最zui終zhong證zheng明ming發fa酵jiao過guo程cheng並bing不bu需xu要yao完wan整zheng的de活huo細xi胞bao存cun在zai。這zhe一yi發fa現xian打da開kai了le通tong向xiang現xian代dai酶mei學xue與yu現xian代dai生sheng物wu化hua學xue的de大da門men,其qi本ben人ren也ye因yin“發現無細胞發酵及相應的生化研究”而獲得了1907年的諾貝爾化學獎。
人們在認識到酶是一類不依賴於活體細胞的物質後,開始鑒定其生化組成成分。1926年,美國生物化學家James Batcheller Sumner分離獲得了尿素酶的晶體,首次提出酶是蛋白質。1930年,John Howard Northrop和Wendell Meredith Stanley通過對胃蛋白酶、胰蛋白酶和胰凝乳蛋白酶等消化性蛋白酶的研究,最終確認酶是蛋白質。以上三位科學家因此獲得1946年度諾貝爾化學獎。
為了研究酶分子的精妙結構,探究它的催化原理,科學家可通過X射線晶體學、冷凍電鏡等手段研究酶的三維結構。1965年,第一個獲得結構解析的酶分子——溶(rong)菌(jun)酶(mei)的(de)發(fa)表(biao),標(biao)誌(zhi)著(zhe)酶(mei)結(jie)構(gou)生(sheng)物(wu)學(xue)研(yan)究(jiu)的(de)開(kai)始(shi),使(shi)酶(mei)在(zai)分(fen)子(zi)水(shui)平(ping)上(shang)的(de)工(gong)作(zuo)機(ji)製(zhi)解(jie)析(xi)成(cheng)為(wei)可(ke)能(neng),從(cong)而(er)可(ke)引(yin)導(dao)人(ren)們(men)對(dui)酶(mei)進(jin)行(xing)分(fen)子(zi)改(gai)造(zao),拓(tuo)展(zhan)酶(mei)的(de)用(yong)途(tu)。
2.酶,生命功能的執行者
隨著研究的深入,大家發現,酶對於生命體是如此重要——不要以為“催化”隻是一個化工上的名詞,生命就是一場盛大的化學事件,人體是一個極其複雜的“生物化學反應器”,由酶驅動的生化反應網絡奠定了生命活動的核心基礎。
其中,我們首先要說到酶的最大作用——高(gao)效(xiao)的(de)催(cui)化(hua)劑(ji)。在(zai)生(sheng)命(ming)體(ti)中(zhong),每(mei)分(fen)每(mei)秒(miao)都(dou)在(zai)發(fa)生(sheng)催(cui)化(hua)反(fan)應(ying)。比(bi)如(ru),人(ren)類(lei)吃(chi)的(de)食(shi)物(wu)並(bing)不(bu)直(zhi)接(jie)提(ti)供(gong)能(neng)量(liang),而(er)是(shi)要(yao)將(jiang)食(shi)物(wu)中(zhong)的(de)葡(pu)萄(tao)糖(tang)進(jin)行(xing)氧(yang)化(hua),才(cai)能(neng)釋(shi)放(fang)能(neng)量(liang),以(yi)維(wei)持(chi)生(sheng)物(wu)體(ti)的(de)體(ti)溫(wen),並(bing)為(wei)生(sheng)命(ming)活(huo)動(dong)提(ti)供(gong)能(neng)源(yuan)。
如果沒有酶的參與,在常溫常壓條件下,實現這一係列的反應,需要幾年甚至更長的時間——如ru果guo沒mei有you酶mei,消xiao化hua一yi口kou饅man頭tou可ke能neng要yao一yi年nian時shi間jian。若ruo要yao加jia快kuai反fan應ying速su度du,就jiu必bi須xu使shi用yong三san百bai度du以yi上shang的de高gao溫wen,而er這zhe在zai生sheng物wu體ti內nei是shi不bu可ke能neng實shi現xian的de。我wo們men體ti內nei一yi些xie酶mei,可ke以yi將jiang底di物wu轉zhuan化hua為wei產chan物wu的de速su率lv提ti高gao數shu百bai萬wan倍bei到dao上shang億yi倍bei。正zheng是shi在zai一yi係xi列lie酶mei的de催cui化hua作zuo用yong下xia,葡pu萄tao糖tang氧yang化hua的de過guo程cheng,才cai能neng在zai常chang溫wen常chang壓ya下xia瞬shun間jian完wan成cheng。
一yi些xie酶mei促cu反fan應ying會hui與yu我wo們men的de感gan知zhi不bu經jing意yi相xiang交jiao,是shi它ta們men讓rang我wo們men感gan受shou到dao酸suan甜tian苦ku辣la。例li如ru,當dang我wo們men反fan複fu咀ju嚼jiao饅man頭tou或huo米mi飯fan,舌she頭tou即ji會hui感gan知zhi甜tian味wei,這zhe是shi由you於yu唾tuo液ye腺xian分fen泌mi的de澱dian粉fen酶mei,促cu使shi澱dian粉fen部bu分fen分fen解jie為wei麥mai芽ya糖tang。
而酶的存在也能解釋很多現象。比如,為什麼有的人飲酒會“上臉”,有些人則不會?為什麼人會“宿醉”?這與兩個酶關聯甚重:肝(gan)中(zhong)的(de)乙(yi)醇(chun)脫(tuo)氫(qing)酶(mei)負(fu)責(ze)將(jiang)酒(jiu)中(zhong)的(de)乙(yi)醇(chun)氧(yang)化(hua)為(wei)乙(yi)醛(quan),生(sheng)成(cheng)的(de)乙(yi)醛(quan)進(jin)一(yi)步(bu)在(zai)乙(yi)醛(quan)脫(tuo)氫(qing)酶(mei)的(de)催(cui)化(hua)下(xia)轉(zhuan)變(bian)為(wei)無(wu)害(hai)的(de)乙(yi)酸(suan)。有(you)的(de)人(ren)乙(yi)醇(chun)脫(tuo)氫(qing)酶(mei)活(huo)性(xing)高(gao),則(ze)飲(yin)酒(jiu)後(hou)乙(yi)醛(quan)水(shui)平(ping)迅(xun)速(su)升(sheng)高(gao),乙(yi)醛(quan)使(shi)毛(mao)細(xi)血(xue)管(guan)擴(kuo)張(zhang),表(biao)現(xian)為(wei)人(ren)的(de)麵(mian)部(bu)潮(chao)紅(hong);可若他(她)體內的乙醛脫氫酶活性較低,那麼難以轉化的乙醛在體內堆積,會導致宿醉,甚至造成肝損傷。
zhexietedianrangmeiyuxiandaiyixuemibukefen。liru,yishengkeyitongguojiancerentitedingdemeidehanliang,laipanduanjibingdezhuangkuang。liru,zhuananmeiyichangshenggaoshi,zhishiganzangkenengshoulesun。cedingyizumei,bijiaobutongmeidebianhua,weilinchuangzhenduantigongyiju,chengweimeipujiance。zaibiru,xinjimeipuzonghelexinjideduozhongmei,xinjixibaohuaisishi,shifangdaoxueqingzhongdexinjimeihuifashengyichang。jiancezhexiexinjimei,duizhenduanxinjigengsiyijipingjiarongshuanzhiliaoxiaoguoyouyidingdelinchuangjiazhi。
而酶,也成為治病的藥物。鏈激酶、尿niao激ji酶mei作zuo為wei溶rong栓shuan治zhi療liao的de常chang用yong藥yao物wu,已yi有you數shu十shi年nian的de臨lin床chuang應ying用yong曆li史shi。鏈lian激ji酶mei是shi第di一yi個ge用yong於yu臨lin床chuang的de溶rong栓shuan藥yao物wu蛋dan白bai酶mei,但dan它ta在zai體ti內nei的de半ban衰shuai期qi短duan,且qie生sheng產chan成cheng本ben高gao。將jiang鏈lian激ji酶mei用yong基ji因yin工gong程cheng的de手shou段duan進jin行xing改gai造zao,得de到dao重zhong組zu鏈lian激ji酶mei,作zuo用yong時shi間jian延yan長chang,易yi於yu生sheng產chan且qie更geng安an全quan可ke控kong。
3.酶,日常生活的“幫手”,生物製造的“芯片”
除了催化的高效性,酶還具有很多特點。
酶的一個重要特點是專一。通常,一種酶隻催化一種物質、發生一種反應,或者化學結構類似物質的相同反應,對其他物質則不會產生催化作用。這也保證了酶在我們體內不會“亂來”——如ru葡pu萄tao糖tang氧yang化hua酶mei,隻zhi催cui化hua葡pu萄tao糖tang的de醛quan基ji氧yang化hua為wei葡pu萄tao糖tang酸suan,而er不bu會hui催cui化hua葡pu萄tao糖tang的de其qi他ta基ji團tuan,亦yi不bu會hui催cui化hua其qi他ta物wu質zhi的de氧yang化hua反fan應ying。生sheng物wu體ti在zai不bu斷duan的de進jin化hua過guo程cheng中zhong賦fu予yu各ge種zhong酶mei專zhuan屬shu的de功gong能neng,一yi旦dan由you於yu某mou些xie原yuan因yin造zao成cheng某mou一yi種zhong酶mei的de缺que失shi,或huo催cui化hua活huo性xing低di下xia,生sheng物wu的de新xin陳chen代dai謝xie就jiu會hui紊wen亂luan,可ke能neng導dao致zhi疾ji病bing甚shen至zhi死si亡wang。這zhe也ye是shi很hen多duo疾ji病bing產chan生sheng的de原yuan因yin之zhi一yi。
酶還具有分子結構多樣性的特點。酶分子通常比需要進行反應的底物大得多,其結構中隻有一小部分(大約1~10個氨基酸)直(zhi)接(jie)與(yu)底(di)物(wu)相(xiang)作(zuo)用(yong),被(bei)稱(cheng)為(wei)催(cui)化(hua)位(wei)點(dian),數(shu)個(ge)催(cui)化(hua)位(wei)點(dian)組(zu)成(cheng)酶(mei)的(de)活(huo)性(xing)中(zhong)心(xin),而(er)酶(mei)的(de)其(qi)餘(yu)部(bu)分(fen)支(zhi)撐(cheng)了(le)活(huo)性(xing)中(zhong)心(xin),使(shi)酶(mei)能(neng)夠(gou)根(gen)據(ju)環(huan)境(jing)做(zuo)出(chu)部(bu)分(fen)改(gai)變(bian)。
meidelingyigetezhengshijiegouyugongnengdeyibianxing。duoshumeixuyaowenhedetiaojianlaiquebaogaoxiaodecuihuaxiaoneng,dangchaochushiyidewenduhesuanjiandufanweihou,meidehuoxinghuixianzhuxiajiang。yixiefenziyekeyiyingxiangmeidehuoxing,rumeiyizhijinengjiangdimeidehuoxing,ermeijihuojinengtigaomeidehuoxing。rujin,xuduoyaowudoushimeideyizhiji,liruyixieaizhengbaxiangyao,jiushitongguoyizhiyixie“失控”的酶來治療腫瘤。
酶mei也ye是shi脆cui弱ruo的de,被bei加jia熱re或huo與yu化hua學xue變bian性xing劑ji接jie觸chu時shi,酶mei原yuan有you的de結jie構gou被bei打da亂luan,活huo性xing也ye隨sui之zhi喪sang失shi。當dang然ran,也ye存cun在zai一yi些xie極ji端duan情qing況kuang,比bi如ru生sheng活huo在zai火huo山shan環huan境jing中zhong的de細xi菌jun體ti內nei的de酶mei具ju有you很hen強qiang的de耐nai熱re性xing;又如胃蛋白酶在胃液極酸的條件下才具有良好的催化活性。
這樣的特性,讓酶在人們的日常生活和現代工業中也具有重要作用。
我們的日常生活離不開酶。比如開門七件事“柴米油鹽醬醋茶”中,醬油、醋、茶葉的發酵都離不開酶。在醬油釀造中,通過微生物所產生的酶,加速完成了蛋白質水解、澱粉糖化、有機酸發酵等各類生化反應;豆瓣醬、醋、腐乳、酸奶等的生產,離不開各種微生物中的酶。再比如洗衣粉也離不開酶。衣物上常見的汙漬,比如奶、蛋、果汁、hanzidouhanyoudanbaizhi,hennanbeibiaomianhuoxingjihuoqitazhuxijifenjiequchu。zhiyouzaiqizhongtianjiadanbaimei,bawugouzhongdedanbaizhixianfenjiechengkerongxingdetaihuoanjisuan,cainengrangyifuganjingruxin。
對現代工業而言,酶,也是綠色生物製造的核心“芯片”。由於酶具有高催化效率、高度的專一性、作用條件溫和、可生物降解等優點,在工業製造中可減少原料和能源的消耗,降低廢棄物的排放,具有綠色製造和可持續發展的典型特征。
例如,藥廠用特定的合成酶來合成抗生素;纖維素被纖維素酶分解後進行發酵生產生物燃料。在科學研究中,基因操作的“分子剪刀”“縫合器”與“精準編輯器”本質都是酶;塑料垃圾也可以找到或者改造出對應的高效酶使其完全降解,這樣的例子舉不勝舉。有研究表明,工業生產中平均每使用1公斤酶製劑,能夠減少100公斤的二氧化碳排放,而生產1公斤酶製劑,平均產生的碳排放量不足10公斤——這為“碳達峰”“碳中和”的到來提供了良好的解決方案。
4.從天然酶到人工酶,酶研究始於足下
酶mei是shi大da自zi然ran給gei予yu我wo們men人ren類lei的de饋kui贈zeng。在zai自zi然ran界jie數shu億yi年nian的de進jin化hua過guo程cheng中zhong,酶mei分fen子zi形xing成cheng了le複fu雜za的de結jie構gou,以yi行xing使shi各ge自zi的de功gong能neng。從cong生sheng物wu體ti找zhao尋xun適shi宜yi屬shu性xing的de天tian然ran酶mei是shi目mu前qian工gong業ye用yong酶mei的de重zhong要yao來lai源yuan。自zi然ran環huan境jing中zhong的de微wei生sheng物wu具ju有you豐feng富fu的de多duo樣yang性xing,1克土壤中含約1000~100000種微生物,酶在自然選擇壓力下還在不斷地進化與演變,使自然界的酶資源寶庫不斷豐富。
直接從環境樣本中篩選與鑒定新酶是重要的酶發掘手段之一,比如20世紀70年代,科學家們從熱泉中篩選到耐高溫的DNA聚合酶,成為現代生命科學研究不可或缺的PCR技術基礎。而近年來新方法學的突破,例如大規模基因測序技術、基因人工合成技術、高通量篩選技術,使科學家們也開始使用數據挖掘的手段來發掘新酶。
為了構建整體化酶資源體係,實現酶資源的分析、評(ping)價(jia)和(he)利(li)用(yong),中(zhong)國(guo)科(ke)學(xue)院(yuan)戰(zhan)略(lve)生(sheng)物(wu)資(zi)源(yuan)專(zhuan)項(xiang)支(zhi)持(chi)了(le)多(duo)個(ge)研(yan)究(jiu)所(suo),共(gong)同(tong)聯(lian)合(he)建(jian)立(li)了(le)覆(fu)蓋(gai)上(shang)千(qian)種(zhong)不(bu)同(tong)工(gong)業(ye)反(fan)應(ying)的(de)酶(mei)庫(ku),迄(qi)今(jin)已(yi)支(zhi)持(chi)了(le)數(shu)十(shi)家(jia)行(xing)業(ye)龍(long)頭(tou)和(he)新(xin)興(xing)科(ke)技(ji)企(qi)業(ye)的(de)技(ji)術(shu)升(sheng)級(ji)與(yu)產(chan)業(ye)發(fa)展(zhan),為(wei)我(wo)國(guo)酶(mei)資(zi)源(yuan)產(chan)業(ye)化(hua)變(bian)革(ge)升(sheng)級(ji)提(ti)供(gong)了(le)重(zhong)要(yao)戰(zhan)略(lve)支(zhi)撐(cheng)。
雖sui然ran天tian然ran酶mei資zi源yuan豐feng富fu,但dan它ta們men能neng催cui化hua的de反fan應ying與yu工gong業ye上shang的de需xu求qiu仍reng存cun在zai差cha距ju。科ke學xue家jia們men也ye在zai不bu斷duan地di學xue習xi自zi然ran,創chuang製zhi滿man足zu特te定ding需xu求qiu的de人ren工gong酶mei。為wei了le滿man足zu生sheng物wu製zhi造zao業ye的de高gao效xiao能neng、高強度、操作柔性的要求,工業酶應具有優異的酸堿、溫度、離子強度、有(you)機(ji)溶(rong)劑(ji)及(ji)底(di)物(wu)耐(nai)受(shou)性(xing)能(neng),能(neng)夠(gou)在(zai)較(jiao)寬(kuan)的(de)過(guo)程(cheng)參(can)數(shu)下(xia)發(fa)揮(hui)催(cui)化(hua)作(zuo)用(yong)。因(yin)此(ci),理(li)解(jie)工(gong)業(ye)環(huan)境(jing)下(xia)酶(mei)的(de)催(cui)化(hua)行(xing)為(wei),並(bing)開(kai)展(zhan)適(shi)應(ying)性(xing)改(gai)造(zao),使(shi)其(qi)發(fa)揮(hui)最(zui)大(da)催(cui)化(hua)潛(qian)力(li),成(cheng)為(wei)亟(ji)須(xu)破(po)解(jie)的(de)瓶(ping)頸(jing)。
為此,科學家們發展了酶工程技術,將酶分子進行改造與重新設計,從而改善酶的性能,使其能夠用於工業環境。該領域的領軍人物Frances H.Arnold創立了模擬自然的定向進化方法,也因此項技術的發明獲得了2018年諾貝爾化學獎。定向進化在眾多酶的改造上取得了重大成功,例如,重要的一線降血糖藥物西格列汀就是由人工改造的酶所合成。
對(dui)酶(mei)的(de)結(jie)構(gou)生(sheng)物(wu)學(xue)研(yan)究(jiu),使(shi)人(ren)們(men)能(neng)夠(gou)從(cong)結(jie)構(gou)的(de)角(jiao)度(du)理(li)解(jie)酶(mei)的(de)功(gong)能(neng),分(fen)子(zi)動(dong)力(li)學(xue)模(mo)擬(ni)為(wei)酶(mei)催(cui)化(hua)的(de)動(dong)態(tai)過(guo)程(cheng)提(ti)供(gong)信(xin)息(xi),而(er)人(ren)工(gong)智(zhi)能(neng)技(ji)術(shu)則(ze)可(ke)對(dui)酶(mei)分(fen)子(zi)的(de)結(jie)構(gou)進(jin)行(xing)預(yu)測(ce)。這(zhe)些(xie)技(ji)術(shu)的(de)結(jie)合(he),使(shi)科(ke)學(xue)家(jia)們(men)能(neng)夠(gou)以(yi)更(geng)精(jing)巧(qiao)的(de)方(fang)式(shi)對(dui)酶(mei)進(jin)行(xing)設(she)計(ji)。例(li)如(ru),中(zhong)科(ke)院(yuan)微(wei)生(sheng)物(wu)所(suo)的(de)研(yan)究(jiu)人(ren)員(yuan)即(ji)利(li)用(yong)多(duo)尺(chi)度(du)計(ji)算(suan)酶(mei)設(she)計(ji)技(ji)術(shu),實(shi)現(xian)了(le)係(xi)列(lie)手(shou)性(xing)氨(an)基(ji)酸(suan)的(de)大(da)規(gui)模(mo)工(gong)業(ye)生(sheng)產(chan)。但(dan)在(zai)酶(mei)的(de)結(jie)構(gou)與(yu)功(gong)能(neng)的(de)生(sheng)物(wu)物(wu)理(li)機(ji)製(zhi)尚(shang)未(wei)被(bei)完(wan)全(quan)解(jie)析(xi)的(de)情(qing)況(kuang)下(xia),設(she)計(ji)高(gao)性(xing)能(neng)的(de)酶(mei)仍(reng)存(cun)在(zai)巨(ju)大(da)的(de)挑(tiao)戰(zhan)。
muqian,tianranmeiyurengongmeiyiqishixianlezhongduogaojiazhichanpindeshengwuhecheng,shengwucuihuazhengchuyudisancifazhanlangchaozhong,meigaizaodejinchengyezaidafujiakuai。keyiyujian,suizherenmenduimeijiegouyugongnengguanxirenshidebuduanshenru,yijirengongzhinengdexunsufazhan,meideshejiyuhechengjianggengweikuaisu、理性、精準,酶催化功能改善的幅度和範圍也將進一步拓展。酶的綠色與可持續的特征將進一步凸顯,助力我們享受更美好的生活。
文章的最後,我請讀者和我一起思考一個問題:如果酶能設計,那麼生命呢?
生(sheng)命(ming)是(shi)一(yi)個(ge)多(duo)層(ceng)次(ci)的(de)複(fu)雜(za)係(xi)統(tong)。若(ruo)要(yao)人(ren)工(gong)合(he)成(cheng)生(sheng)命(ming),需(xu)要(yao)自(zi)下(xia)而(er)上(shang)的(de)工(gong)程(cheng)化(hua)體(ti)係(xi),而(er)酶(mei)則(ze)是(shi)該(gai)體(ti)係(xi)的(de)底(di)層(ceng)基(ji)礎(chu)。循(xun)此(ci)理(li)念(nian),近(jin)期(qi)中(zhong)國(guo)科(ke)學(xue)家(jia)完(wan)成(cheng)了(le)二(er)氧(yang)化(hua)碳(tan)合(he)成(cheng)澱(dian)粉(fen)的(de)研(yan)究(jiu)。其(qi)中(zhong),人(ren)工(gong)設(she)計(ji)的(de)新(xin)酶(mei)——jiaquanjuhemei,datonglezaishengwutiwaiwujitandaoyoujitandeguanjiantonglu。youyudiqiushengwushitanjishengming,gaigongzuojiangdaziranzhongdewujitanzhuanhuanweishengmingtizhongdeyoujitan,weichuangzaoshengmingtigonglenengliangshurudejichu,shixianlehechengshengmingdezhongyaoyibu。
從基因到蛋白質,再到細胞,最終組合形成生物體——生命的設計之路還很遙遠,而酶學研究的工作恰始於足下。
(作者:吳邊係中科院微生物研究所研究員,李濤係該所博士生)
【編輯:張楷欣】
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