|
近日，西湖大學理學院葉宇軒課題組在Nature Chemistry發(fā)文，他們成功解鎖了烯還原酶的全新非天然去飽和化反應性，把它們從還原酶改造成為了去飽和化酶…… —四幕劇—  實驗室一角：黃色的烯還原酶白色房間里，所有人都在等著烯還原酶。 這是一場面試，等候在白色長桌邊的是葉宇軒團隊，是他們發(fā)出了邀約。 烯還原酶到了，閃動著落日余暉般的透明光彩，但很難描述她的形貌。至少，她并不是球和棍搭建的模型，那只是為了理解而構造的。量子世界，并不是宏觀世界的縮小版。 “你們好呀，人類?！彼Z氣輕柔。 所有人都站起來，抬頭仰望這一奇觀，白色房間大得出奇，足以裝下想象。 她是一個由300多個氨基酸構成的巨人。氨基酸是一種有機小分子，以碳作為骨架，結合氮、氫、氧，偶爾有硫，生命中只有20種氨基酸，它們用肽鍵連接，再折疊形成了姿態(tài)萬千的生命基石——蛋白質。 酶也是一種蛋白質。水分子的分子量是18，一個烯還原酶的分子量大概在37000，一葉輕舟和萬噸巨輪的差別。  藝術插畫： 烯還原酶的蛋白晶體結構圖，蛋白質的折疊千姿百態(tài)，或螺旋，或扁平
 葉宇軒在實驗室。
在電動搖床的日夜震蕩之中，大腸桿菌按照給定的DNA序列，勤懇地制造出各種蛋白質。 這背后是一套生命底層的編碼和解碼系統(tǒng)，從基因到蛋白質，我們稱之為中心法則，細胞根據(jù)DNA序列，翻譯出蛋白質。人類利用中心法則，“誘騙”大腸桿菌翻譯外來的基因片段。 再來看“簡歷”上神秘的氨基酸序列： MALLFTPLELGGLRLKNRLAMSPMCQYSATLEGEVTDWHLLHYPTRALGGVGLILVEATAVEPLGRISPYDLGIWSEDHLPGLKELARRIREAGAVPGIQLAHAGRKAGTARPWEGGKPLGWRVVGPSPIPFDEGYPVPEPLDEAGMERILQAFVEGARRALRAGFQVIELHMAHGYLLSSFLSPLSNQRTDAYGGSLENRMRFPLQVAQAVREVVPRELPLFVRVSATDWGEGGWSLEDTLAFARRLKELGVDLLDCSSGGVVLRVRIPLAPGFQVPFADAVRKRVGLRTGAVGLITTPEQAETLLQAGSADLVLLGRVLLRDPYFPLRAAKALGVAPEVPPQYQRGF 每一個字母代表一個氨基酸，比如第一個字母M代表甲硫氨酸，349個字母，就是349個氨基酸的連接和折疊。 只是這20個字母，編寫了生命天書，堪稱奇跡，就好比莎士比亞也只用了26個英文字母寫出了偉大的作品。 在這套編碼系統(tǒng)中，每個氨基酸序列又可以對應到DNA序列中的三個堿基，如此，葉宇軒團隊就可以在大腸桿菌中將烯還原酶生產(chǎn)出來，他們一共挑選20多種烯還原酶進入“初試”。 一場“入職培訓”即將開始。 這是計劃版圖的一端，另一端，是他們盯上的烯酮類化合物，這種化合物在制藥、農藥和材料等領域都有重要作用。 來看分子圖，烯酮最頂上的碳和氧形成一個雙鍵，酮，指的是碳氧雙鍵，右側兩個碳形成一個雙鍵，底下的碳可以“外掛”兩個取代基團，像兩只腳，形同一個“兵”字。但正是由于雙鍵的出現(xiàn)，讓烯酮有了手性。就好像皮卡丘，走起路來，有了皮卡乒，也有了皮卡乓——開個玩笑。  左邊是需要合成的烯酮分子，想象一下它右側的鏡像體，已經(jīng)無法和左邊重合，就好像你的雙手。（圖：Tiny ） 為了脫氫得到烯酮，之前的化學家想了很多催化辦法，但是要么需要多步合成，要么需要強氧化性條件下，或者需要大量的金屬催化劑，這些并不環(huán)保，另外普適性也不強。 如何打造一個更普適的烯酮催化體系，葉宇軒團隊的方案專注于自然界的酶，而思路同樣師法自然。
有機分子模型，即便38億年也無法窮盡一個蛋白質的排列組合。 在開頭的面試中，葉宇軒心里清楚，雖然烯還原酶的本性是喜歡拆除碳碳雙鍵，但是！但是！但是！化學反應微觀可逆，反應物和生成物之間的轉化過程是可逆的！ 化學反應不是一條單向街，就好像，如果能把一個燈泡擰下來，那也懂得把它擰上去。 事實上，烯還原酶也可以把飽和的碳碳單鍵變成不飽和雙鍵，只是天然狀態(tài)下這個過程并不明顯。 在20多種進入初試的烯還原酶中，有兩種在最初的測試中脫穎而出，即便不加改造，他們已經(jīng)表現(xiàn)出一定的去飽和能力，并且隨著溫度的升高，能力還在提高。這兩位進入第二輪面試的編號分別是： CrS 和 GkOYE。 億萬年的進化，酶龐大的身軀宛如柔軟的舞者，妖嬈多姿，擅長把被催化的分子擁入懷中。這也讓他們能夠精確控制產(chǎn)物分子的空間構象，也就是分子手性。伸出自己的雙手就很好理解，它們鏡相對稱卻無法重合。分子手性對生命至關重要，同樣的分子，如果手性不同，作用會完全不同。 這，就是人類夢“酶”以求的催化劑，高效、專一、還能控制產(chǎn)物分子的手性。這種能力是億萬年的演化使然，酶的序列不斷變化調整，大自然篩選出其中最杰出的代表。 那么同樣，人類也可以在實驗室里利用這一機制，人為改變氨基酸序列，然后，通過大量的測試，來篩選出我們想要的變種?；蛘哒f，人，在扮演大自然的角色，以及，人，給酶的演化按下了加速鍵。 這被稱為定向進化，在2018年獲得了諾貝爾獎時，被評選人稱為： 試管中的達爾文主義。 不過，科學家并不會盲目修改，葉宇軒團隊深知關鍵的序列，每次改寫一個位點，逐步測試，步步為營。他們最終收獲了多個有益的突變體，其中GkOYE系列經(jīng)歷了三輪進化，去飽和催化效率達到了96%。 仿佛經(jīng)歷了三重門，已然脫胎換骨。 這些突變體構成了一整套去飽和催化體系，實驗證明可以應用于55種不同的分子。其實349個氨基酸序列，意味著20的349次方種可能，這是一個遠超天文數(shù)字的概念，比宇宙間的原子數(shù)還多，那大概是4乘以10的80次方。 38億年太短，唯有演化只爭朝夕。
“你好美啊?！毕┻€原酶看到玻璃器皿中的硅酸鹽，如此說。 “是生命?！惫杷猁}流露出一絲落寞。 硅元素同樣是最外層四個價電子，但是因為一些差異，地球上出現(xiàn)的是碳基生命，而非硅基生命。硅，這種地球上第二大元素，常常和第一大元素氧結合，成為了石頭的一種成分。 “不要難過呀，你可以看到最細微和最遙遠的，從顯微鏡到望遠鏡。還有，硅基芯片已經(jīng)開始模擬神經(jīng)網(wǎng)絡，也許，我們還會再相遇?！毕┻€原酶輕聲安慰。 是的，再相遇。 無論是碳還是硅，都是在恒星里練就的，那是遠超化學反應的熾熱。大爆炸之后，宇宙逐漸告別混沌期，在最初的恒星里，以氫的核聚變?yōu)槿剂?，繼續(xù)制造基本元素。所以，構成你我的，無非是創(chuàng)世的遺跡，以及恒星的碎片。 在一片混沌和通透中，烯還原酶很快遇見了要催化的分子。 如同一個久違的擁抱，她用一只手輕輕取下對方一個的質子。這個掛在碳上的質子，就是氫原子失去電子的樣子，呈現(xiàn)電正性。 與此同時，烯還原酶又拿出了她的珍藏已久的寶物，維生素B2。這是她演化路上升級打怪撿到的裝備，又形同科幻，維生素B2就好像是酶給自己安裝上的機械手臂，如此賽博朋克。 維生素B2又取走了連接在相鄰碳上的氫，這個氫帶有兩個電子，呈現(xiàn)電負性。 此時，相鄰的兩個碳，一個失去氫正，一個失去氫負，接下來等待他們的，是多一個碳碳相連，從單鍵變成雙鍵。 相比之下，人類的催化劑堪稱暴力，但烯還原酶的溫柔一抱，一切釋然了。專業(yè)上的說法，是因為酶有多個位點可以活化目標分子，降低反應所需要的能量。 現(xiàn)在，一個氫正，一個氫負，即將迎接他們的，是空氣里的氧氣。 氧，一生極度活潑，到處尋找電子。地球上最早的微生物，其實是被氧氣掠殺殆盡。但生命演化又來了一個反手，利用起氧氣，形成一種更高效的能量獲取機制。 烯還原酶在維生素B2的配合下，拉入氧氣，產(chǎn)生了最終的產(chǎn)物，就是雙氧水H?O?。至此，這個反應已經(jīng)不可逆轉。 “再見了，氧和氫。”烯還原酶道別。 雙氧水并非旅途終點，一旦條件允許，雙氧水會變成水分子和氧氣。極度渴求電子的氧氣，又會到處去氧化別人，而水分子如果足夠巧合，例如被電解，就會釋放出氫氣，如果又足夠巧合，氫氣通過大氣層逃逸向宇宙原鄉(xiāng)，那正是來時之路。 而面對孤獨的質子，烯還原酶想起了生命往事，元素們最終選擇走在一起，行動一致開啟了生命演化，這已足夠奇跡。  烯還原酶催化去飽和反應示意圖，R1和R2代表連接在碳上的基團，催化后的產(chǎn)物烯酮分子出現(xiàn)了手性。  烯還原酶催化去飽和反應更具體的過程機理圖。 致謝 西湖大學理學院特聘研究員葉宇軒為論文的通訊作者，博士研究生王輝、科研助理高斌為本文的共同第一作者。在此，團隊感謝西湖大學分子科學平臺的盧星宇、陳中、顧丹玉在停流光譜實驗中提供的幫助；感謝西湖大學人工光合作用與太陽能燃料中心的張彪彪、崔鑫在溶解氧測定實驗中提供的實驗儀器和實驗指導；同時，感謝黃雄怡、Todd Hyster、楊揚、付海根和胡鵬飛在論文撰寫和投稿過程中的討論和寶貴幫助。本研究的部分資金來源于科技部重點研發(fā)項目(2022YFA1505600)，浙江省重點實驗室建設項目和西湖大學未來產(chǎn)業(yè)研究中心以及浙江省資源配置項目 (XHD24B0101)。 葉宇軒，1991年生于江蘇南京。2013年于北京大學化學與分子工程學院獲得學士學位，指導教師為王劍波教授和張艷教授。本科期間在美國加州大學洛杉磯分校Neil Garg教授課題組進行了暑期科研交流。2018年在美國麻省理工學院獲得博士學位，指導教師為Stephen Buchwald教授。2019–2022年在美國普林斯頓大學和康奈爾大學開展博士后研究，合作教師為Todd Hyster教授。葉宇軒博士于2022年9月全職加入西湖大學理學院擔任特聘研究員，主要研究方向為新型酶催化非天然反應的發(fā)展和應用。 葉宇軒實驗室長期開展酶催化相關的基礎與應用研究。主要包括：1）利用光化學，電化學，以及金屬催化等技術解鎖酶的非天然反應性，發(fā)展高效的新型酶催化反應；2）借鑒生物體中獨特的酶催化反應機理，實現(xiàn)新型仿生催化；3）利用酶的非天然反應，發(fā)展新型生物傳感器。所取得系列奠基性學術成果已經(jīng)發(fā)表在Nat. Chem., J. Am. Chem. Soc., Angewandte Chemie等化學頂尖期刊，并受到自于世界各地學術界同行的廣泛引用。
ye.lab.westlake.edu.cn yeyuxuan@westlake.edu.cn
策劃 丨 俞熙娜 編輯 丨 沈 是 |
|
|
