化學(xué)教授推動(dòng)的研究有助于推進(jìn)人工酶工程

雖然耐腐蝕性、耐用性和低成本使塑料成為一種非常有效的資源，但其主要缺點(diǎn)之一是它對(duì)環(huán)境造成的危害。根據(jù) 綠色和平組織的一份報(bào)告，2021 年家庭產(chǎn)生了 5100 萬(wàn)噸塑料垃圾，其中只有 240 萬(wàn)噸被回收，這使其成為地球福祉的緊迫問題。

為了解決這個(gè)問題，研究人員正在尋找方法來(lái)開發(fā)能夠分解塑料的工程酶——類似于人體在消化過程中分解食物的方式。

構(gòu)成人體的大約 30 萬(wàn)億個(gè)細(xì)胞中的每一個(gè)都含有數(shù)千種酶。每種酶都有助于細(xì)胞實(shí)現(xiàn)重要的功能和過程，例如消化、細(xì)胞調(diào)節(jié)和 DNA 復(fù)制等?？茖W(xué)家們希望利用同樣的力量來(lái)解決生物學(xué)以外的問題，從上述塑料分解到處理有毒廢物再到化學(xué)武器修復(fù)。這個(gè)想法是創(chuàng)造可以進(jìn)行自然界尚未進(jìn)化的反應(yīng)的酶。

工程酶已經(jīng)在一些常見的家用產(chǎn)品中發(fā)揮作用。例如，研究人員發(fā)現(xiàn)，通過在洗滌劑中添加某些突變酶，可以提高它們分解食物、草或其他污漬形式的衣服上殘留的蛋白質(zhì)和脂肪的能力。但就像大海撈針一樣，科學(xué)家們面臨的持續(xù)挑戰(zhàn)之一是找到特定酶的正確位置，以提高其促進(jìn)特定反應(yīng)的能力。

大學(xué)化學(xué)教授Ivan Korendovych 和 Olga Makhlynets以及來(lái)自橫濱市立大學(xué)和比利時(shí) Vlaams Instituut voor Biotechnologie 的一組研究人員設(shè)計(jì)了一種使用核磁共振 (NMR) 定向進(jìn)化來(lái)改進(jìn)酶工程的簡(jiǎn)單方法。

類似于醫(yī)生辦公室的磁共振成像 (MRI) 機(jī)器，它使用磁場(chǎng)和無(wú)線電波來(lái)生成身體器官和組織的圖像，NMR 使用磁場(chǎng)來(lái)突出顯示有益突變可能發(fā)生的酶區(qū)域發(fā)生。在一項(xiàng)概念驗(yàn)證研究中，該團(tuán)隊(duì)將肌紅蛋白(一種儲(chǔ)氧蛋白)轉(zhuǎn)化為有史以來(lái)最快的人造酶。他們的研究結(jié)果最近發(fā)表在權(quán)威期刊《 自然》上。

在為特定化學(xué)反應(yīng)創(chuàng)造新酶時(shí)，研究人員會(huì)尋找以類似方式發(fā)揮作用的現(xiàn)有酶。從那里，科學(xué)家們對(duì)該蛋白質(zhì)引入突變并尋求活性的改善。

雖然這在理論上聽起來(lái)不錯(cuò)，但主要作者 Korendovych 表示，酶工程的過程就像在海洋中釣魚。“你不會(huì)去海洋中你知道可能找不到魚的地方，”他說。“通過我們的定向進(jìn)化方法，我們正在尋找已知適合捕魚的區(qū)域。如果你對(duì)應(yīng)該尋找的位置有更好的想法，你將有更好的機(jī)會(huì)找到這些好的突變，并為實(shí)際和有用的反應(yīng)創(chuàng)造新的酶。”

定向進(jìn)化是蛋白質(zhì)工程中使用的一種方法，它模仿自然選擇的過程，將蛋白質(zhì)引向用戶定義的目標(biāo)。為了改進(jìn)催化特定化學(xué)反應(yīng)的酶，研究小組使用 NMR 分析試管中的潛在樣品。變化最大的磁信號(hào)表明可以發(fā)生有益突變的蛋白質(zhì)區(qū)域。

Korendovych 指出，這種方法的優(yōu)點(diǎn)在于它提供了一種相當(dāng)簡(jiǎn)單的方法來(lái)縮小搜索空間并確定蛋白質(zhì)中研究人員最有可能成功的位置。

“這將改變定向進(jìn)化的游戲規(guī)則，”Korendovych 說。“每個(gè)人都可以使用他們自己的酶，他們自己的酶抑制劑，并進(jìn)行核磁共振實(shí)驗(yàn)和直接進(jìn)化，而無(wú)需大量額外投資。”

該團(tuán)隊(duì)表示，這種方法為無(wú)限的酶可能性打開了大門。從創(chuàng)造綠色、重新設(shè)計(jì)的生物體到無(wú)需廢物和有機(jī)溶劑的實(shí)用化學(xué)，這種方法可以幫助廣泛用于各種反應(yīng)領(lǐng)域。

“最終，我們認(rèn)為這將真正釋放定向進(jìn)化的力量，使酶的單點(diǎn)開發(fā)成為可能，”Korendovych 說。“我認(rèn)為這種簡(jiǎn)單的方法不僅可以幫助推動(dòng)更好的催化劑的開發(fā)，還可以產(chǎn)生關(guān)于酶的新基礎(chǔ)知識(shí)。”