酶力无穷

　　作者：吴边（中科院微生物研究所研究员），李涛（该所博士生）
　　酶，是生命不可缺少的核心物质。基因编辑、干细胞技术、靶向药物……生命科学中的诸多关键技术和产品制造，都离不开酶。随着现代生物技术的快速发展，科学家们对酶的理解更深入，利用酶、改造酶，这种＂绿色制造＂，不仅能改善人类的生活，也开启了设计生命的大门。
　　1.发现与认识酶，一个久远的故事
　　人们对酶的认识，或许可以从酒开始讲起。有一种观点认为酒是这样起源的：古代劳动人民有了富余的粮食后，将它们存在空的桑树洞里。时间久了，粮食就变成了一种具有香味的液体。后来，这种无意的发现就变成了有意识的行为，酿酒由此而生。但那时的人们并不清楚，酿酒的过程就是人类最早利用酶的开端——粮食中的糖类之所以能够变为酒精，就是酶在起作用。
　　今天，我们已经知道，酶，是一类由细胞产生的生物大分子催化剂。
　　酶的本质是具有催化效能的蛋白质，它们的空间结构复杂而多样。当一种物质需要转化为另一种物质时，有时需要先达到一个很高的能量级别，有的化学反应因为需要越过这个像高山一样的能级，遂＂望而却步＂或＂缓缓而行＂；而大自然会使用酶来削低这座山的高度，加速转化过程，科学家们称它为＂生物催化＂。目前已知的酶可以催化超过数千种生化反应。正因为有酶的存在，生物才能进行生长、代谢、发育、繁殖等生命活动。
　　从无意识地利用，到科学地认知，人们对酶的认识经历了一个漫长而久远的过程。
　　19世纪，人们逐步发现食物在胃中能够被消化，植物的提取液可以将淀粉转化为糖等现象，从而初步认识了酶的催化作用。1878年，生理学家WilhelmFriedrich kühne首次提出了酶的概念。1897年，德国科学家EduardBuchner开始对不含细胞的酵母提取液进行发酵研究，最终证明发酵过程并不需要完整的活细胞存在。这一发现打开了通向现代酶学与现代生物化学的大门，其本人也因＂发现无细胞发酵及相应的生化研究＂而获得了1907年的诺贝尔化学奖。
　　人们在认识到酶是一类不依赖于活体细胞的物质后，开始鉴定其生化组成成分。1926年，美国生物化学家JamesBatchellerSumner分离获得了尿素酶的晶体，首次提出酶是蛋白质。1930年，JohnHowardNorthrop和WendellMeredithStanley通过对胃蛋白酶、胰蛋白酶和胰凝乳蛋白酶等消化性蛋白酶的研究，最终确认酶是蛋白质。以上三位科学家因此获得1946年度诺贝尔化学奖。
　　为了研究酶分子的精妙结构，探究它的催化原理，科学家可通过X射线晶体学、冷冻电镜等手段研究酶的三维结构。1965年，第一个获得结构解析的酶分子——溶菌酶的发表，标志着酶结构生物学研究的开始，使酶在分子水平上的工作机制解析成为可能，从而可引导人们对酶进行分子改造，拓展酶的用途。
　　2.酶，生命功能的执行者
　　随着研究的深入，大家发现，酶对于生命体是如此重要——不要以为＂催化＂只是一个化工上的名词，生命就是一场盛大的化学事件，人体是一个极其复杂的＂生物化学反应器＂，由酶驱动的生化反应网络奠定了生命活动的核心基础。
　　其中，我们首先要说到酶的最大作用——高效的催化剂。在生命体中，每分每秒都在发生催化反应。比如，人类吃的食物并不直接提供能量，而是要将食物中的葡萄糖进行氧化，才能释放能量，以维持生物体的体温，并为生命活动提供能源。
　　如果没有酶的参与，在常温常压条件下，实现这一系列的反应，需要几年甚至更长的时间——如果没有酶，消化一口馒头可能要一年时间。若要加快反应速度，就必须使用三百度以上的高温，而这在生物体内是不可能实现的。我们体内一些酶，可以将底物转化为产物的速率提高数百万倍到上亿倍。正是在一系列酶的催化作用下，葡萄糖氧化的过程，才能在常温常压下瞬间完成。
　　一些酶促反应会与我们的感知不经意相交，是它们让我们感受到酸甜苦辣。例如，当我们反复咀嚼馒头或米饭，舌头即会感知甜味，这是由于唾液腺分泌的淀粉酶，促使淀粉部分分解为麦芽糖。
　　而酶的存在也能解释很多现象。比如，为什么有的人饮酒会＂上脸＂，有些人则不会？为什么人会＂宿醉＂？这与两个酶关联甚重：肝中的乙醇脱氢酶负责将酒中的乙醇氧化为乙醛，生成的乙醛进一步在乙醛脱氢酶的催化下转变为无害的乙酸。有的人乙醇脱氢酶活性高，则饮酒后乙醛水平迅速升高，乙醛使毛细血管扩张，表现为人的面部潮红；可若他（她）体内的乙醛脱氢酶活性较低，那么难以转化的乙醛在体内堆积，会导致宿醉，甚至造成肝损伤。
　　这些特点让酶与现代医学密不可分。例如，医生可以通过检测人体特定的酶的含量，来判断疾病的状况。例如，转氨酶异常升高时，指示肝脏可能受了损。测定一组酶，比较不同酶的变化，为临床诊断提供依据，称为酶谱检测。再比如，心肌酶谱综合了心肌的多种酶，心肌细胞坏死时，释放到血清中的心肌酶会发生异常。检测这些心肌酶，对诊断心肌梗死以及评价溶栓治疗效果有一定的临床价值。
　　而酶，也成为治病的药物。链激酶、尿激酶作为溶栓治疗的常用药物，已有数十年的临床应用历史。链激酶是第一个用于临床的溶栓药物蛋白酶，但它在体内的半衰期短，且生产成本高。将链激酶用基因工程的手段进行改造，得到重组链激酶，作用时间延长，易于生产且更安全可控。
　　3.酶，日常生活的＂帮手＂，生物制造的＂芯片＂
　　除了催化的高效性，酶还具有很多特点。
　　酶的一个重要特点是专一。通常，一种酶只催化一种物质、发生一种反应，或者化学结构类似物质的相同反应，对其他物质则不会产生催化作用。这也保证了酶在我们体内不会＂乱来＂——如葡萄糖氧化酶，只催化葡萄糖的醛基氧化为葡萄糖酸，而不会催化葡萄糖的其他基团，亦不会催化其他物质的氧化反应。生物体在不断的进化过程中赋予各种酶专属的功能，一旦由于某些原因造成某一种酶的缺失，或催化活性低下，生物的新陈代谢就会紊乱，可能导致疾病甚至死亡。这也是很多疾病产生的原因之一。
　　酶还具有分子结构多样性的特点。酶分子通常比需要进行反应的底物大得多，其结构中只有一小部分（大约1~10个氨基酸）直接与底物相作用，被称为催化位点，数个催化位点组成酶的活性中心，而酶的其余部分支撑了活性中心，使酶能够根据环境做出部分改变。
　　酶的另一个特征是结构与功能的易变性。多数酶需要温和的条件来确保高效的催化效能，当超出适宜的温度和酸碱度范围后，酶的活性会显著下降。一些分子也可以影响酶的活性，如酶抑制剂能降低酶的活性，而酶激活剂能提高酶的活性。如今，许多药物都是酶的抑制剂，例如一些癌症靶向药，就是通过抑制一些＂失控＂的酶来治疗肿瘤。
　　酶也是脆弱的，被加热或与化学变性剂接触时，酶原有的结构被打乱，活性也随之丧失。当然，也存在一些极端情况，比如生活在火山环境中的细菌体内的酶具有很强的耐热性；又如胃蛋白酶在胃液极酸的条件下才具有良好的催化活性。
　　这样的特性，让酶在人们的日常生活和现代工业中也具有重要作用。
　　我们的日常生活离不开酶。比如开门七件事＂柴米油盐酱醋茶＂中，酱油、醋、茶叶的发酵都离不开酶。在酱油酿造中，通过微生物所产生的酶，加速完成了蛋白质水解、淀粉糖化、有机酸发酵等各类生化反应；豆瓣酱、醋、腐乳、酸奶等的生产，离不开各种微生物中的酶。再比如洗衣粉也离不开酶。衣物上常见的污渍，比如奶、蛋、果汁、汗渍都含有蛋白质，很难被表面活性剂或其他助洗剂分解去除。只有在其中添加蛋白酶，把污垢中的蛋白质先分解成可溶性的肽或氨基酸，才能让衣服干净如新。
　　对现代工业而言，酶，也是绿色生物制造的核心＂芯片＂。由于酶具有高催化效率、高度的专一性、作用条件温和、可生物降解等优点，在工业制造中可减少原料和能源的消耗，降低废弃物的排放，具有绿色制造和可持续发展的典型特征。
　　例如，药厂用特定的合成酶来合成抗生素；纤维素被纤维素酶分解后进行发酵生产生物燃料。在科学研究中，基因操作的＂分子剪刀＂＂缝合器＂与＂精准编辑器＂本质都是酶；塑料垃圾也可以找到或者改造出对应的高效酶使其完全降解，这样的例子举不胜举。有研究表明，工业生产中平均每使用1公斤酶制剂，能够减少100公斤的二氧化碳排放，而生产1公斤酶制剂，平均产生的碳排放量不足10公斤——这为＂碳达峰＂＂碳中和＂的到来提供了良好的解决方案。
　　4.从天然酶到人工酶，酶研究始于足下
　　酶是大自然给予我们人类的馈赠。在自然界数亿年的进化过程中，酶分子形成了复杂的结构，以行使各自的功能。从生物体找寻适宜属性的天然酶是目前工业用酶的重要来源。自然环境中的微生物具有丰富的多样性，1克土壤中含约1000 100000种微生物，酶在自然选择压力下还在不断地进化与演变，使自然界的酶资源宝库不断丰富。
　　直接从环境样本中筛选与鉴定新酶是重要的酶发掘手段之一，比如20世纪70年代，科学家们从热泉中筛选到耐高温的DNA聚合酶，成为现代生命科学研究不可或缺的PCR技术基础。而近年来新方法学的突破，例如大规模基因测序技术、基因人工合成技术、高通量筛选技术，使科学家们也开始使用数据挖掘的手段来发掘新酶。
　　为了构建整体化酶资源体系，实现酶资源的分析、评价和利用，中国科学院战略生物资源专项支持了多个研究所，共同联合建立了覆盖上千种不同工业反应的酶库，迄今已支持了数十家行业龙头和新兴科技企业的技术升级与产业发展，为我国酶资源产业化变革升级提供了重要战略支撑。
　　虽然天然酶资源丰富，但它们能催化的反应与工业上的需求仍存在差距。科学家们也在不断地学习自然，创制满足特定需求的人工酶。为了满足生物制造业的高效能、高强度、操作柔性的要求，工业酶应具有优异的酸碱、温度、离子强度、有机溶剂及底物耐受性能，能够在较宽的过程参数下发挥催化作用。因此，理解工业环境下酶的催化行为，并开展适应性改造，使其发挥最大催化潜力，成为亟须破解的瓶颈。
　　为此，科学家们发展了酶工程技术，将酶分子进行改造与重新设计，从而改善酶的性能，使其能够用于工业环境。该领域的领军人物FrancesH.Arnold创立了模拟自然的定向进化方法，也因此项技术的发明获得了2018年诺贝尔化学奖。定向进化在众多酶的改造上取得了重大成功，例如，重要的一线降血糖药物西格列汀就是由人工改造的酶所合成。
　　对酶的结构生物学研究，使人们能够从结构的角度理解酶的功能，分子动力学模拟为酶催化的动态过程提供信息，而人工智能技术则可对酶分子的结构进行预测。这些技术的结合，使科学家们能够以更精巧的方式对酶进行设计。例如，中科院微生物所的研究人员即利用多尺度计算酶设计技术，实现了系列手性氨基酸的大规模工业生产。但在酶的结构与功能的生物物理机制尚未被完全解析的情况下，设计高性能的酶仍存在巨大的挑战。
　　目前，天然酶与人工酶一起实现了众多高价值产品的生物合成，生物催化正处于第三次发展浪潮中，酶改造的进程也在大幅加快。可以预见，随着人们对酶结构与功能关系认识的不断深入，以及人工智能的迅速发展，酶的设计与合成将更为快速、理性、精准，酶催化功能改善的幅度和范围也将进一步拓展。酶的绿色与可持续的特征将进一步凸显，助力我们享受更美好的生活。
　　文章的最后，我请读者和我一起思考一个问题：如果酶能设计，那么生命呢？
　　生命是一个多层次的复杂系统。若要人工合成生命，需要自下而上的工程化体系，而酶则是该体系的底层基础。循此理念，近期中国科学家完成了二氧化碳合成淀粉的研究。其中，人工设计的新酶——甲醛聚合酶，打通了在生物体外无机碳到有机碳的关键通路。由于地球生物是碳基生命，该工作将大自然中的无机碳转换为生命体中的有机碳，为创造生命提供了能量输入的基础，实现了合成生命的重要一步。
　　从基因到蛋白质，再到细胞，最终组合形成生物体——生命的设计之路还很遥远，而酶学研究的工作恰始于足下。
　　《光明日报》（ 2021年11月18日16版）