《自然》：经历“试管分子进化”的人工酶

通过联合使用计算机设计和体外分子进化技术，科学家最近成功地创建一个自然界没有的新酶，实现让反应速率增加数百万倍的目标。该研究表明了人们人工合成酶上取得了重大的突破。由于这项研究，人们对酶的结构和作用方式都有了更好的理解。这些知识反过来会让我们设计和创造出自然界所没有的酶，用于各种反应过程，例如中和毒性，研制药物等等。

　　生物通报道：科学家最近成功地创建一个新的酶，催化自然界中没有酶可以催化的反应。这是人类与自然界“斗争”取得的最新的胜利。这个成就可能在医药和工业中有许多不同的应用。

毫无疑问，酶是理解自然界内在工作艺术的极好模型。酶就是一个分子机器，负责引发体内的化学反应，没有它们就没有生命的存在。数百万年的自然选择，已经将这些酶的活性调节到最佳状态，使得化学反应可以加快几百万倍。为了创造出人工酶，需要全面了解天然酶的结构和作用方式，也需要蛋白质工程技术的进步。美国华盛顿大学的科学家和以色列兹曼研究院的科学家在人工酶的领域做出了关键性的突破。他们的研究结果发表在最新的《自然》杂志上。

酶是一种生物催化剂，同其它蛋白质一样由一串氨基酸组成并折叠成三维结构。科学家的目的是创造出一种催化特殊化学反应的酶，让碳的质子可以从去除掉。这个反应要求很高，也是许多过程的限速步骤，目前还没有发现哪个美可以催化这个反应。研究人员首先设计出酶的核心部件，即活性位点，这是化学反应发生的地方。

然后研究人员再设计出酶的骨架，例如确定组成蛋白质的200个氨基酸的序列。这项工作可不容易，因为20种不同氨基酸组成的200个序列，理论上可能的数字无比庞大。但在实际中只有有限的排序可能性，因为氨基酸的序列决定了酶的结构，该结构进而决定了它的特异活性。

华盛顿大学的David Baker教授用新的计算机方法扫描分析了数千个排序的可能性，确定出大约有60个计算机设计的酶可能会有想要的活性。这60个序列经过测试筛选之后，进入了“下一轮”的8个序列显示出生物活性。再对这个8个序列进行淘汰，最终进入了“决赛”的2个是活性最强的。茨曼研究院的Orly Dym和Shira Albeck博士解决了其中一个的结构，并证实这个创造出来的酶几乎与电脑设计所预测的一模一样。

但这个酶的催化效率还无法与经过数百万年进化的天然酶相比。Dan Tawfik教授等人又继续研究，发明出一种方法，在试管中让合成的酶模拟自然的进化过程。

他们的方法基于不断重复的随机突变，接着再扫描检测突变的酶，以找出效率最高的酶。这些酶再进行另一轮的突变与筛选。结果表明，在试管中进行7轮的“进化”就可以将酶的催化效率提高200倍，从而实现让反应速率增加数百万倍的目标。

科学家发现，发生在酶活性位点周围的突变，会引起结构的微小改变，这个改变反过来会提高化学反应速率。因此，这些突变似乎可以修正计算机设计的缺点。其它突变增强了酶的灵活性，帮助提高底物从活性位点释放的速度。

制造出像天然酶那样高性能的人工酶是一项令人望而生畏的任务，但通过联合使用计算机设计和体外分子进化技术，有可能在人工合成酶上开创新的局面。

由于这项研究，人们对酶的结构和作用方式都有了更好的理解。这些知识反过来会让我们设计和创造出自然界所没有的酶，用于各种反应过程，例如中和毒性，研制药物等等。（生物通，揭鹰）