研究进展人工酶工程

虽然耐腐蚀性、耐用性和低成本使塑料成为一种非常有效的资源，但其主要缺点之一是它对环境造成的危害。根据美国绿色和平组织的一份报告，2021年美国家庭产生了5100万吨塑料垃圾，其中只有240万吨被回收利用，这使其成为地球福祉的紧迫问题。

为了解决这个问题，研究人员正在寻找方法来开发能够分解塑料的工程酶——类似于人体在消化过程中分解食物的方式。

构成人体的大约30万亿个细胞中的每一个都含有数千种酶。每种酶都有助于细胞发挥重要的功能和过程，例如消化、细胞调节和DNA复制，仅举几例。

科学家们希望利用同样的力量来解决生物学以外的问题，从上述塑料分解到有毒废物处理再到化学武器修复。这个想法是创造可以进行自然界尚未进化的反应的酶。

工程酶已经在一些常见的家用产品中发挥作用。例如，研究人员发现，通过在洗涤剂中添加某些突变酶，可以提高它们分解衣服上以食物、草或其他污渍形式存在的蛋白质和脂肪残留物的能力。但就像大海捞针一样，科学家面临的挑战之一是在特定酶上找到正确的位置，以提高其促进特定反应的能力。

大学化学教授IvanKorendovych和OlgaMakhlynets以及来自日本横滨城市大学和比利时VlaamsInstituutvoorBiotechnologie的一组研究人员设计了一种简单的方法，该方法使用核磁共振(NMR)定向进化来改进酶工程。

类似于医生办公室的磁共振成像(MRI)机器，它使用磁场和无线电波来产生身体器官和组织的图像，核磁共振使用磁场来突出显示有益突变可能的酶区域发生。在一项概念验证研究中，该团队将肌红蛋白(一种储氧蛋白)转化为有史以来最快的人工酶。他们的研究结果最近发表在《自然》杂志上。

在为特定的化学反应创造新的酶时，研究人员会寻找一种以类似方式发挥作用的现有酶。从那里，科学家向该蛋白质引入突变并寻找活性的改善。

虽然这在理论上听起来不错，但主要作者Korendovych表示，酶工程的过程就像在海洋中钓鱼。“你不会去海洋中一个你知道你可能找不到鱼的地方，”他说。“通过我们的定向进化方法，我们正在寻找我们知道是钓鱼的好地方。如果您对应该寻找的地方有更好的了解，您将有更好的机会找到这些好的突变并创造新的酶用于实际和有用的反应。”

定向进化是蛋白质工程中使用的一种方法，它模仿自然选择的过程来引导蛋白质朝着用户定义的目标前进。为了改进催化特定化学反应的酶，研究小组使用核磁共振来分析试管中的潜在样本。变化最大的磁信号表明了蛋白质中可能发生有益突变的区域。

Korendovych指出，这种方法的美妙之处在于它提供了一种相当简单的方法来缩小搜索空间并确定蛋白质中研究人员最有可能成功的位置。

“这将改变定向进化的游戏规则，”Korendovych说。“每个人都可以使用他们自己的酶，他们自己的酶抑制剂，并进行核磁共振实验并直接进化，而无需大量额外投资。”

该团队表示，这种方法为无限的酶可能性打开了大门。从创造绿色、重新设计的有机体到没有废物和有机溶剂的实用和有用的化学，这种方法可以帮助在该领域广泛用于各种反应。

“最终，我们认为这将真正释放定向进化的力量，使酶的单点开发成为可能，”Korendovych说。“我认为这种简单的方法不仅可以帮助推动更好的催化剂的开发，还可以产生有关酶的新基础知识。”