Nature發布人工酶合成重要成果

日期：2016-08-31 08:55:06

最近，來自巴塞爾大學、蘇黎世聯邦理工大學和NCCR分子系統工程的科學家，開發了一種人工金屬酶，可催化細胞內的反應，在大自然中沒有等價物。這可能是“在活細胞內創建新的非自然代謝途徑”的最好例子，相關研究結果發表在8月29日的《Nature》雜志。

這種人工金屬酶，稱為biot-Ru-SAV，是采用生物素-鏈親和素技術制備而成的。這種方法依賴于蛋白質鏈霉親和素對維生素生物素的高親和力，其中結合生物素的化合物可以被引入到蛋白質，以產生人工酶。在這項研究中，作者介紹了一種金屬有機化合物，它的底部有金屬釕。有機金屬化合物在一個金屬原子和一個碳原子之間至少有一個鍵，通常用于工業化學反應的催化劑。然而，如果真起作用的話，有機金屬催化劑在水溶液中或細胞環境中的表現并不佳，需要被合并到像鏈霉親和素這樣的蛋白支架，來克服這些局限。

該研究的資深作者、巴塞爾大學化學系教授Thomas R Ward說：“我們的目標是制備一種人工金屬酶，可以催化烯烴復分解反應，這是不存在于天然酶當中的一種反應機制。”烯烴復分解反應是一種方法，用于碳碳雙鍵的形成和再分配，碳碳雙鍵被廣泛用于各種化學產品的實驗室研究和大規模工業生產。Biot-Ru-SAV可催化一種關環復分解反應，以生產一種易于檢測和定量熒光分子。

周質作為反應室

然而，活細胞內的環境難以實現有機金屬酶的正常運作。蘇黎世聯邦理工大學生物系統科學與工程系的Markus Jeschek說：“主要的突破是，‘使用大腸桿菌的周質作為反應室’的這個想法，其環境更適合于烯烴復分解催化劑。”周質——革蘭氏陰性菌的內細胞膜和細菌外膜之間的間隙，含有低濃度的金屬酶抑制劑，如谷胱甘肽。

作者發現在體內條件下是理想的，之后又進了一步，決定通過采用定向進化原則——這種方法模擬自然選擇的過程來進化出性能或活性增強的蛋白質，來優化biot-Ru-SAV。Ward解釋說：“然后，我們可以開發一種簡單和可靠的篩選方法，可讓我們測試幾千個biot-Ru-SAV突變體，并識別最活躍的變種。”

作者不僅能顯著改善biot-Ru-SAV的催化特性，而且也表明，這種有機金屬基酶可以被設計和優化成不同的底物，從而產生各種不同的化學產品。Ward說：“這一結果令人興奮的地方在于，像biot-Ru-SAV這樣的人工金屬酶，可用于生產新的高附加值化學品。它有很多的潛力，可結合化學和生物學工具，最終利用細胞作為分子工廠。”

2014年12月，英國醫學研究委員會（Medical Research Council，MRC）的科學家們生成了世界上第一個由人工遺傳物質制成的酶。他們的合成酶，是由自然界中不會產生的分子制成，能夠在實驗室引發化學反應。相關研究結果發表在《自然》雜志（Nature）。