『』人工酶与定向进化的前沿与挑战
定向进化是在实验室环境中 ， 在分子水平上模拟进化过程 ， 得到具有期望特征的蛋白质的方法 ， 目前已成为蛋白质设计改造的重要方法 。 定向进化不仅可以用于天然蛋白质的改造 ， 也可以通过改造现有的酶 ， 使其具有新的催化活性 ， 从而构建人工酶 。 本文重点介绍工业生物催化、纳米酶设计和光催化3个方向的前沿成果 ， 并讨论人工酶与定向进化领域存在的挑战和问题 。
酶是天然的催化剂 ， 是生命体代谢反应的承担者 。 近50年来 ， 有机化学尤其是金属有机领域发展了多种小分子催化反应 ， 通过调控金属配体的结构 ， 实现了对反应的操纵 。 相对有机化学反应 ， 酶催化反应由于底物谱窄、立体选择性无法控制、对反应条件要求高、催化反应有限等原因 ， 制约了酶催化在精细化学品、医药中间体合成等方面的应用 。
定向进化是在实验室环境中模拟达尔文进化过程 ， 通过随机突变和重组 ， 人为制造大量的突变 ， 按照特定的需要和目的给予选择压力 ， 筛选出具有期望特征的蛋白质 ， 实现分子水平的模拟进化 。
过去25年来 ， 定向进化在突变体文库构建和筛选方法上取得进步 ， 包括位点饱和突变（saturation mutagenesis ， SM）、易错PCR（error-pronepolymerase chain reaction ， epPCR）及DNA重组（DNA shuffling）等技术产生序列多样性的随机突变体文库的方法 ， 以及高效液相色谱、质谱等高通量、自动化的筛选方法 ， 使定向进化成为酶工程领域的有效研究方法 。 定向进化作为一种工程化的改造方法 ， 不需要对蛋白质的结构信息及催化机制事先了解 ， 通过迭代有益突变 ， 可以实现蛋白质性能的飞跃 。
2018年 ， 酶定向进化领域的重要贡献者——加州理工大学教授FrancesH. Arnold获得诺贝尔化学奖 ， 标志着定向进化技术已经在学术界得到广泛认可 。
定向进化的应用不仅局限在对现有酶的选择性改变 ， 目前还广泛应用于通过改造现有的酶 ， 使其具有新的功能 ， 从而构建人工酶 。
人工酶可以是天然酶经过突变等改造得到的新酶 ， 也可以是非蛋白质、具有类似天然酶催化活性的物质 ， 如基于核酸的核酸酶和一些基于纳米材料的纳米酶等 。 纳米酶是一类蕴含酶学特性的纳米材料 ， 在纳米尺度表现出只有天然酶才具有的酶学催化特性 。 纳米酶的概念是由中国科学家提出的 ， 它是得到学术界广泛认可并具有巨大应用前景的人工酶 。
本文基于中国科协第383次青年科学家论坛的讨论和共识 ， 回顾人工酶与定向进化领域的前沿研究 ， 展望该领域的挑战与发展 。
工业生物催化与定向进化
由于酶具有高选择性、生物相容性和反应的温和性 ， 在工业生物催化尤其是医药中间体的生产中有广泛的应用前景 。 β-氨基酸是一大类非蛋白质氨基酸 ， 具有多样的生物活性 ， 被应用于医药、食品、农牧业等多个产业 。 β-内酰胺抗生素、重磅药物紫杉醇（抗癌药物）、西格列汀（糖尿病药物）及维生素B5等多种具有巨大市场销售额的“明星分子”均需要β-氨基酸作为合成单元 。 β-氨基酸的合成长期以来一直依赖于过渡金属催化的化学途径 ， 需要昂贵的催化剂、繁琐的保护与去保护步骤以及苛刻的反应条件 。 设计β-氨基酸的新型绿色合成途径是生物合成领域的一项重大挑战 。
中国科学院微生物研究所研究员吴边团队通过使用人工智能计算技术 ， 综合选用一系列计算方法 ， 对天冬氨酸酶进行了分子重设计 ， 成功获得了一系列具有绝对位置选择性与立体选择性的人工β-氨基酸合成酶 。
本文插图
计算设计人工β-氨基酸合成酶
随后 ， 该团队构建出能够高效合成β-氨基酸的工程菌株 。 通过发酵工艺优化与转化工艺优化 ， 该生物催化体系可一步实现相应β-氨基酸的合成 。 该人工设计的反应体系体现了高效率、高原子经济性等巨大优势 ， 底物浓度达300 g/L ， 实现了99％转化率、99％区域选择性以及99％立体选择性 ， 相关指标达到了工业化生产的标准 。
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