最近，來自巴塞爾大學(xué)、蘇黎世聯(lián)邦理工大學(xué)和NCCR分子系統(tǒng)工程的科學(xué)家，開發(fā)了一種人工金屬酶，可催化細(xì)胞內(nèi)的反應(yīng)，在大自然中沒有等價(jià)物。這可能是“在活細(xì)胞內(nèi)創(chuàng)建新的非自然代謝途徑”的最好例子，相關(guān)研究結(jié)果發(fā)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(shù)制備而成的。這種方法依賴于蛋白質(zhì)鏈霉親和素對維生素生物素的高親和力，其中結(jié)合生物素的化合物可以被引入到蛋白質(zhì)，以產(chǎn)生人工酶。在這項(xiàng)研究中，作者介紹了一種金屬有機(jī)化合物，它的底部有金屬釕。有機(jī)金屬化合物在一個(gè)金屬原子和一個(gè)碳原子之間至少有一個(gè)鍵，通常用于工業(yè)化學(xué)反應(yīng)的催化劑。然而，如果真起作用的話，有機(jī)金屬催化劑在水溶液中或細(xì)胞環(huán)境中的表現(xiàn)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(xué)化學(xué)系教授Thomas R Ward說：“我們的目標(biāo)是制備一種人工金屬酶，可以催化烯烴復(fù)分解反應(yīng)，這是不存在于天然酶當(dāng)中的一種反應(yīng)機(jī)制。”烯烴復(fù)分解反應(yīng)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(xué)產(chǎn)品的實(shí)驗(yàn)室研究和大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)。Biot-Ru-SAV可催化一種關(guān)環(huán)復(fù)分解反應(yīng)，以生產(chǎn)一種易于檢測和定量熒光分子。

周質(zhì)作為反應(yīng)室

然而，活細(xì)胞內(nèi)的環(huán)境難以實(shí)現(xiàn)有機(jī)金屬酶的正常運(yùn)作。蘇黎世聯(lián)邦理工大學(xué)生物系統(tǒng)科學(xué)與工程系的Markus Jeschek說：“主要的突破是，‘使用大腸桿菌的周質(zhì)作為反應(yīng)室’的這個(gè)想法，其環(huán)境更適合于烯烴復(fù)分解催化劑。”周質(zhì)——革蘭氏陰性菌的內(nèi)細(xì)胞膜和細(xì)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(fā)現(xiàn)在體內(nèi)條件下是理想的，之后又進(jìn)了一步，決定通過采用定向進(jìn)化原則——這種方法模擬自然選擇的過程來進(jìn)化出性能或活性增強(qiáng)的蛋白質(zhì)，來優(yōu)化biot-Ru-SAV。Ward解釋說：“然后，我們可以開發(fā)一種簡單和可靠的篩選方法，可讓我們測試幾千個(gè)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(jī)金屬基酶可以被設(shè)計(jì)和優(yōu)化成不同的底物，從而產(chǎn)生各種不同的化學(xué)產(chǎn)品。Ward說：“這一結(jié)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(chǎn)新的高附加值化學(xué)品。它有很多的潛力，可結(jié)合化學(xué)和生物學(xué)工具，最終利用細(xì)胞作為分子工廠。”

2014年12月，英國醫(yī)學(xué)研究委員會(huì)（Medical Research Council，MRC）的科學(xué)家們生成了世界上第一個(gè)由人工遺傳物質(zhì)制成的酶。他們的合成酶，是由自然界中不會(huì)產(chǎn)生的分子制成，能夠在實(shí)驗(yàn)室引發(fā)化學(xué)反應(yīng)。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在《自然》雜志（Nature）。