解密2018年诺贝尔化学奖之蛋白酶

2018-11-01 绿谷生物 CPhI制药在线
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在生物工程界,有一位魔术师,叫酶工程。它的魔力体现在凡是有生命的地方就有魔术师在那里活动,无论是花草树木还是鸟兽鱼虫,无论是高等的还是低等的,动植物都需要酶来维持生命。人类更是须臾不可离酶,新陈代谢过程的各种阶段,都需"望'酶'止渴"。

加酶洗衣粉洗衣粉、多酶片等是酶工程在日常生活中应用的实例,而对于整个酶工程来说,这仅是酶工程大海之沧海之一粟,只是简单的应用而已,2018诺贝尔化学奖因达尔文进化论的活学活用蛋白酶,一石又惊起千层浪,让人们再次认清"庐山真面目",意识到生物工程界魔术师的重要作用。

酶 工 程

2018诺贝尔化学奖

北京时间10月3日,2018年诺贝尔化学奖新鲜出炉,各大朋友圈、网络平台被一则"瑞典皇家科学院公布了2018年度诺贝尔化学奖得主,其中诺贝尔化学奖一半颁给弗朗西斯·阿诺德(Frances H Arnold),奖励她实现了酶的定向转化,诺贝尔化学奖另一半颁给乔治·史密斯(George P Smith)和格雷戈里·温特尔(Gregory P Winter),奖励他们实现了多肽和抗体的噬菌体呈现技术"的消息疯狂刷屏,用进化的力量解决化学问题是2018年诺贝尔化学奖成果。

酶定义

酶(enzyme)是由活细胞产生的、对其底物具有高度特异性和高度催化效能的蛋白质或RNA。酶也具有一级、二级、三级,乃至四级结构。按其分子组成的不同,可分为单纯酶和结合酶,仅含有蛋白质的称为单纯酶,结合酶则由酶蛋白和辅助因子组成。

蛋白酶是水解蛋白质肽链的一类酶的总称。按其降解多肽的方式分成内肽酶和端肽酶两类,别名:枯草溶菌素;解朊酶;舒替兰酶;得自地衣芽孢杆菌。

酶号称是生物工程界的魔术师,生命在它的指挥下,协调地演奏起一章章如诗如画的生命交响曲来,世界因此而生机勃勃、色彩斑斓。

酶的特点

1926年,美国科学家萨姆纳从刀豆种子中提取出脲酶的结晶, 并通过实验证明: 脲酶是一种蛋白质,弄清了酶就是蛋白质,为此他获得1946年诺贝尔化学奖金。从此,人们才逐步认清"庐山真面目",才意识到酶的重要作用,现代微生物酶技术才真正起步。到现在为止,人类已经完全能确定其成分和功能的酶有3000 多种。

酶的高效性

酶的催化能力要比化学催化剂高出107~1013 倍。就拿纤维素的分解来说,用5%的硫酸,在4~5 个大气压、100 多摄氏度的条件下,四五个小时只能使纤维稍稍松动。而一旦纤维素酶出场,而且只是那么一点点纤维素酶,在常压、40 摄氏度的条件下,四五个小时可以使50%的纤维素分解成葡萄糖,这几乎就是牛胃里发生的反应,只不过容器换了一下。

酶的专一性

所谓专一,是指一种酶只能作用于具有一定结构的物质。形象一点的说法就是"一把钥匙开一把锁"、"一个萝卜填一个坑"。纤维素酶只能把纤维素分解成葡萄糖,碰到蛋白质、淀粉、脂肪之类,它是无动于衷的。同样,那鹰胃里的胃蛋白酶,只对蛋白质"情有独钟",对纤维和其他有机物分子就毫无办法了。鹰胃里除了主力军胃蛋白酶之外,还有淀粉酶、纤维素酶、脂肪酶等许多酶;牛胃里除了主力军纤维素酶之外,也还有胃蛋白酶、淀粉酶、脂肪酶等许多酶。这些酶分工明确,各司其职,专找特定的对象"开刀"。

蛋白酶的定向进化

弗朗西斯·阿诺德(Frances H Arnold)在1993年完成了首个酶的定向演化实验,首次实现了她的理论。经过多年发展,弗朗西斯·阿诺德(Frances H Arnold)的实验室生成的酶已经能够催化那些自然界中都不存在的化学反应,从而制造出全新材料。她的这些"量身定制"酶如今已是包括药物在内许多材料制作的重要工具,它在生产过程中能避免产生许多污染环境的副产物,蛋白酶定向进化背后的机制如下:

第1步:向细菌的基因引入随机的变异。

第2步:变异后的基因产生各种不同蛋白酶。

第3步:筛选出所有好用的蛋白酶,比如生物燃料和药物,丢弃不好用的蛋白酶。

第4步:回到第一步,让好用的蛋白酶基因产生进一步变异,并反复循环。

自然界的进化过程就是通过这样的方式对生物进行自然选择,以便让拥有优秀形状的个体能够更好地壮大族群,这样的自然选择过程往往长达数万年,然而,定向进化所代表的蛋白质人工筛选技术,为人类在微观层面上操作蛋白质等大型分子提供了有利武器,由于目的性明确,可能在很少的代数内产生极大的性状改变,更容易产生人们需要的蛋白酶,大大推进了蛋白酶实际运用的研究进程。感谢三位科学家,感谢它们让人类驾驭生物工程界的魔术师成为可能。