化學教授推動的研究有助于推進人工酶工程

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，但其主要缺點之一是它對環(huán)境造成的危害。根據 綠色和平組織的一份報告，2021 年家庭產生了 5100 萬噸塑料垃圾，其中只有 240 萬噸被回收，這使其成為地球福祉的緊迫問題。

為了解決這個問題，研究人員正在尋找方法來開發(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。

構成人體的大約 30 萬億個細胞中的每一個都含有數千種酶。每種酶都有助于細胞實現重要的功能和過程，例如消化、細胞調節(jié)和 DNA 復制等?？茖W家們希望利用同樣的力量來解決生物學以外的問題，從上述塑料分解到處理有毒廢物再到化學武器修復。這個想法是創(chuàng)造可以進行自然界尚未進化的反應的酶。

工程酶已經在一些常見的家用產品中發(fā)揮作用。例如，研究人員發(fā)現，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和脂肪的能力。但就像大海撈針一樣，科學家們面臨的持續(xù)挑戰(zhàn)之一是找到特定酶的正確位置，以提高其促進特定反應的能力。

大學化學教授Ivan Korendovych 和 Olga Makhlynets以及來自橫濱市立大學和比利時 Vlaams Instituut voor Biotechnologie 的一組研究人員設計了一種使用核磁共振 (NMR) 定向進化來改進酶工程的簡單方法。

類似于醫(yī)生辦公室的磁共振成像 (MRI) 機器，它使用磁場和無線電波來生成身體器官和組織的圖像，NMR 使用磁場來突出顯示有益突變可能發(fā)生的酶區(qū)域發(fā)生。在一項概念驗證研究中，該團隊將肌紅蛋白(一種儲氧蛋白)轉化為有史以來最快的人造酶。他們的研究結果最近發(fā)表在權威期刊《 自然》上。

在為特定化學反應創(chuàng)造新酶時，研究人員會尋找以類似方式發(fā)揮作用的現有酶。從那里，科學家們對該蛋白質引入突變并尋求活性的改善。

雖然這在理論上聽起來不錯，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。“通過我們的定向進化方法，我們正在尋找已知適合捕魚的區(qū)域。如果你對應該尋找的位置有更好的想法，你將有更好的機會找到這些好的突變，并為實際和有用的反應創(chuàng)造新的酶。”

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

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

“這將改變定向進化的游戲規(guī)則，”Korendovych 說。“每個人都可以使用他們自己的酶，他們自己的酶抑制劑，并進行核磁共振實驗和直接進化，而無需大量額外投資。”

該團隊表示，這種方法為無限的酶可能性打開了大門。從創(chuàng)造綠色、重新設計的生物體到無需廢物和有機溶劑的實用化學，這種方法可以幫助廣泛用于各種反應領域。

“最終，我們認為這將真正釋放定向進化的力量，使酶的單點開發(fā)成為可能，”Korendovych 說。“我認為這種簡單的方法不僅可以幫助推動更好的催化劑的開發(fā)，還可以產生關于酶的新基礎知識。”