Science挑戰教科書基礎理論：大量酶身兼數職

日期：2012-08-31 08:15:33

翻開大學里的生化教科書我們會學到這樣的知識，生物體內的酶特異性且高效地催化化學反應，它們從散漫的多功能祖先演化而來，能夠使細胞更有效的生長。而現在，這一基礎理論受到了加州大學圣迭戈分校生物工程師們的挑戰，他們發表在權威雜志Science上的文章證實了一些科學家多年的懷疑，提出活細胞中的許多酶仍然相當散漫并且具有多重功能。

在這項研究中，加州大學生物工程學教授Bernhard Palsson領導的團隊結合科學界數十年來的大量酶學研究數據，建立了基因組范圍的E. coli代謝模型，發現在生長活躍的細胞中至少有37%的酶身兼數職，催化多種代謝反應。

“我們將E. coli代謝中的所有酶結合在一起形成了一個巨大的模型，這一模型使我們得以從整體上分析酶的演化，并得到了出人意料的發現。”Palsson說。

在生命的進化中基因和蛋白發生了改變，人們一般對單個基因和蛋白的演化進行分別研究。而在本研究中，Palsson及其同事轉換思維，通過模型向人們展示單個蛋白和酶的演化受到了機體所有其他酶的影響，并有助于人們了解酶如何一同作用來支持細胞生長。

研究團隊過全細胞代謝模型發現，對細胞生長必要性越大的酶效率更高。而對細胞生長作用不大的酶依然保持著散漫作風。對于這一現象，研究提出了三個主要原因：

• 機體內使用得更廣泛的酶需要更有效率以避免浪費。為了提高效率，它們演化為專門催化一個特殊的代謝反應。

• 催化細胞生長和生存必要反應的酶，其特異性可以避免不必要的分子干擾。

• 由于生物要適應動態而嘈雜的環境，有時需要控制特定酶活性以避免能量浪費或者為養分改變做準備。而酶的特異性越高就越容易控制。

“我們的研究發現，生活細胞仍在使用多功能酶，而這種亂象對于生長并無害處。這些酶對于環境改變并不那么敏感，也不是細胞有效生長所必須的，”研究團隊成員之一，現在的哈佛醫學院博士后Nathan Lewis說。

該研究還是系統生物學這一新興領域的重大勝利，研究者們成功借助高性能計算機和龐大的生命科學數據，模擬了諸如分解營養生成能量以及合成新細胞組分等細胞活性。“該研究揭示了活體生物中存在大量的多功能酶，并將生化研究提升到整體水平，”Lewis說。“研究還明確顯示，使用大規模模型能夠獲得單個蛋白細節信息，”這一概念將會帶來更多的研究成果。

“我們的發現還能為其他研究者指出那些以往被忽視了的多功能酶，以便他們進行深入研究，”Palsson實驗室的博士后Hojung Nam說。“除了需要對酶的多功能活性進行研究意外，酶的多功能性可能具有更深遠的影響。例如科學家們可以分析酶的多功能活性對白血病和腦瘤等疾病有何影響，”Nam說。