导读 在人类历史的大部分时间里，动物和植物被认为遵循与宇宙其他部分不同的一套规则。在 18 和 19 世纪，这最终导致了一种信念，即生物体注

在人类历史的大部分时间里，动物和植物被认为遵循与宇宙其他部分不同的一套规则。在 18 和 19 世纪，这最终导致了一种信念，即生物体注入了一种非物理能量或“生命力”，使它们能够进行仅用传统化学或物理学无法解释的显着转变。

科学家们现在明白，这些转化是由酶驱动的——由氨基酸链组成的蛋白质分子，用于加速或催化一种分子(底物)向另一种(产物)的转化。这样做时，它们可以促进消化和发酵等反应——以及发生在我们每个细胞中的所有化学事件——如果不理会，这些反应会发生得异常缓慢。

斯坦福大学生物工程和遗传学助理教授波莉福代斯说：“在酶的帮助下，一种比宇宙生命周期更长的化学反应可以在几秒钟内发生。”

虽然现在对酶的了解很多，包括它们的结构和它们用来促进反应的化学基团，但关于它们的形式如何与它们的功能相连，以及它们如何以如此惊人的速度和特异性发挥生化魔法的细节仍然不是很好明白了。

一项由 Fordyce 和她在斯坦福大学的同事开发并在本周发表在《科学》杂志上的新技术可能有助于改变这种状况。被称为 HT-MEK——High-Throughput Microfluidic Enzyme Kinetics 的缩写——该技术可以通过同时进行数千个酶实验，将数年的工作压缩到短短几周内。“我们做足够实验的能力有限，使我们无法真正剖析和理解酶，”该研究的共同负责人、斯坦福大学医学院生物化学教授丹·赫施拉格说。

通过让科学家​​们深入探索酶的小“活性位点”，即发生底物结合的酶，HT-MEK 可以揭示关于酶的最远部分如何协同工作以实现其显着反应性的线索。

“这就像我们现在拿着手电筒，而不是仅仅将它照在活性位点上，而是照在整个酶上，”Fordyce 说。“当我们这样做时，我们看到了很多我们没有预料到的事情。”

科学家们使用 HT-MEK 研究了一种名为 PafA 的酶的不同部分的突变如何影响其催化能力。信用：丹尼尔·莫赫塔里

酵素技巧

HT-MEK 旨在取代费力的酶纯化过程，该过程传统上涉及工程细菌以产生特定酶，在大烧杯中培养它们，打开微生物，然后将感兴趣的酶与所有其他不需要的细胞成分分离。为了拼凑酶的工作原理，科学家们在其 DNA 蓝图中引入了故意错误，然后分析这些突变如何影响催化作用。

然而，这个过程既昂贵又耗时，因此就像观众在魔术表演中全神贯注地关注魔术师的手一样，研究人员大多将他们的科学研究限制在酶的活性位点上。“我们对发生化学反应的酶部分了解很多，因为人们已经在那里进行了突变以观察会发生什么。但这花了几十年的时间，”福代斯说。

但正如任何魔术鉴赏家都知道的那样，成功幻觉的关键不仅在于魔术师手指的动作，还可能涉及手臂或躯干的灵巧定位、误导性的啪嗒声或舞台外发生的离散动作，对观众不可见。HT-MEK 使科学家能够轻松地将目光转移到酶的活性部位以外的部分，并探索例如改变酶表面的形状可能会如何影响其内部的运作。

“我们最终想自己做酶的把戏，”福代斯说。“但第一步是弄清楚它是如何完成的，然后我们才能教自己去做。”

芯片上的酶实验

HT-MEK 结合了两种现有技术，可快速加速酶分析。第一个是微流体，它涉及模制聚合物芯片以创建用于精确操纵流体的微观通道。“微流体技术缩小了物理空间来进行这些流体实验，就像集成电路减少计算所需的空间一样，”Fordyce 说。“在酶学方面，我们仍然在这些巨大的公升烧瓶中做事。一切都是巨大的体积，我们不能同时做很多事情。”

第二种是无细胞蛋白质合成，这项技术只需要蛋白质生产所需的那些关键生物机器，并将它们组合成一种可用于合成酶的汤状提取物，而无需活细胞作为孵化器。

“我们已经实现了自动化，这样我们就可以使用打印机将我们想要的酶的合成 DNA 编码的微观点沉积在载玻片上，然后在这些点上对齐装有蛋白质起始混合物的纳升大小的腔室，”Fordyce 解释说。

由于每个小室仅包含一升材料的千分之一，因此科学家们可以在单个设备中设计数千种酶的变体并并行研究它们。通过调整每个腔室中的 DNA 指令，他们可以修改构成酶的氨基酸分子链。通过这种方式，可以系统地研究酶的不同修饰如何影响其折叠、催化能力以及结合小分子和其他蛋白质的能力。

当该团队将他们的技术应用于一种经过充分研究的称为 PafA 的酶时，他们发现远远超出活性位点的突变会影响其催化化学反应的能力——事实上，构成酶的大多数氨基酸或“残基”效果。

科学家们还发现，数量惊人的突变导致 PafA 错误折叠成无法进行催化的替代状态。“几十年来，生物化学家已经知道错误折叠可能发生，但要识别这些情况极其困难，而且更难以定量估计这种错误折叠物质的数量，”该研究的共同第一作者 Craig Markin 说，他是联合任命的研究科学家。 Fordyce 和 Herschlag 实验室。

“这是成千上万种酶中的一种，”Herschlag 强调说。“我们期待有更多的发现和更多的惊喜。”

加速进步

研究人员表示，如果被广泛采用，HT-MEK 不仅可以提高我们对酶功能的基本了解，还可以促进医学和工业的进步。“我们现在使用的许多工业化学品对环境有害并且不可持续。但酶在我们拥有的对环境最无害的物质——水中最有效，”该研究的共同第一作者、斯坦福大学研究生 Daniel Mokhtari 说。在 Herschlag 和 Fordyce 实验室。

HT-MEK 还可以加速一种称为变构靶向的药物开发方法，该方法旨在通过靶向酶活性位点以外的区域来提高药物特异性。酶是流行的药物靶点，因为它们在生物过程中发挥着关键作用。但有些被认为是“不可成药的”，因为它们属于具有相同或非常相似活性位点的相关酶家族，靶向它们会导致副作用。变构靶向背后的想法是创造可以与酶的部分结合的药物，这些酶的部分往往更加分化，比如它们的表面，但仍然控制催化的特定方面。“通过PafA，我们看到了表面和活性位点之间的功能连接，这让我们希望其他酶也能有类似的目标，”Markin 说。”

HT-MEK 预计产生的大量数据也将有利于计算方法和机器学习算法，例如谷歌资助的 AlphaFold 项目，旨在仅从其氨基酸序列推断酶的复杂 3D 形状。“如果机器学习有任何机会准确预测酶的功能，它需要 HT-MEK 可以提供的那种数据来训练，”Mokhtari 说。

再往前走，HT-MEK 甚至可以让科学家对酶进行逆向工程并设计自己的定制品种。“塑料就是一个很好的例子，”福代斯说。“我们很想创造能够将塑料降解成无毒无害的碎片的酶。如果酶的唯一重要部分是它的活性位点真的是真的，那么我们就能够做到这一点，而且已经做得更多了。许多人们已经尝试过但都失败了，人们认为我们之所以不能做到的一个原因是，酶的其余部分对于使活性位点处于正确的形状和以正确的方式摆动很重要。”

Herschlag 希望科学家们能够迅速采用 HT-MEK。“如果你是一名试图了解一种新酶的酶学家，你有机会在六个月内观察 5 或 10 个突变，或者在同一时期观察酶的 100 或 1000 个突变体，你会选择哪个?” 他说。“这是一种工具，有可能取代整个社区的传统方法。”