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彩色科技|| 广东科学家从海洋细菌里发现的“酶”，竟有这样的功能，科技公开课

如今很多科学家正在从事酶的研究 ， 从发现新酶 ， 到进行酶分子进化 ， 以产生更多的生物催化剂 ， 增加酶对人类福祉的促进作用 。 近期 ， 中国科学院热带海洋生物资源与生态重点实验室藻类资源与生态工程研究团队在工程化改造酶蛋白的混杂催化功能方面取得新进展 ， 相关研究论文于2020年6月27日发表于《BiotechnologyandBioengineering》（《生物技术与生物工程》） 。 杨键副研究员与肖运柱博士是论文共同第一作者 ， 龙丽娟研究员是通讯作者 。
由于酶的作用 ， 生物体内的化学反应在极为温和的条件下可以高效进行 ， 可以使生物消化食物 ， 吸收营养 ， 并且维持内脏功能 ， 比如 ， 消炎排毒、新陈代谢、提高免疫力、产生能量、促进血液循环等 。
人体内含有诸多种酶 ， 它们支配着生物的新陈代谢、营养和能量转换等许多催化过程 ， 与生命过程关系密切的反应大多是酶催化反应 。 例如 ， 人们在口腔内咀嚼米饭、馒头时 ， 咀嚼的时间越长 ， 口感就越甜 。 这是由于米饭中的淀粉在口腔分泌的唾液淀粉酶的作用下水解成麦芽糖 。 因此 ， 人们吃饭时多咀嚼可以使食物与唾液充分混合 ， 有利于消化 。 此外 ， 人体从食物中摄取的蛋白质 ， 必须在胃蛋白酶等多种蛋白水解酶作用下水解成氨基酸 ， 然后再通过其他酶的作用选择特定氨基酸 ， 按照一定的顺序重新结合成人体所需的蛋白质 ， 这其中发生了许多复杂的化学反应 。
酶最主要的作用就是催化 ， 酶的催化机制主要有酸碱催化和共价催化两种 。 酸碱催化指质子转移加速反应的催化作用 。 共价催化指一个底物或底物的一部分与催化剂形成共价键 ， 然后转移给第二个底物 。 许多酶催化的基团转移反应都是通过共价催化的方式进行 。
从海洋细菌中发现的“酶”有大作用
然而近年越来越多的研究表明酶具有多种“兼职”功能 ， 这种酶催化功能的非特异现象称为混杂性（Promiscuity） 。 在工业界 ， 开发利用酶的混杂催化功能可帮助人们合成化学分子、修复污染环境 。 酶催化农药水解作为控制农药污染的有效手段 ， 也是科学家的研究热点 。
中国科学院热带海洋生物资源与生态重点实验室藻类资源与生态工程研究团队发现 ， 一种海洋细菌脯氨酸二肽酶具有混杂水解对氧磷农药的功能 。 而对氧磷是一种防治农作物病虫害的农药 ， 属于剧毒物品 。
该酶水解二肽的活性是水解对氧磷的近100倍 。 酶分子内部组成底物结合口袋的氨基酸残基直接与底物发生相互作用 ， 对酶的催化功能至关重要 。 因此 ， 作者期望通过优化底物结合口袋结构实现提高该肽酶水解对氧磷的活性 。 对组成该酶底物结合口袋的11个氨基酸残基进行随机突变 ， 获得4000余个突变体组成的突变库 。 经过多轮筛选从突变库中获得最优突变酶 。 D45W/H226G水解对氧磷的活性提高了30倍 ， 而且该突变酶可同时降解其他十余种常见有机磷农药 。 有趣的是 ， 伴随着混杂活性的提高 ， 天然肽酶活性显著下降 ， 突变酶与野生酶的催化选择性发生百万余倍转换（图1） 。 在实验室内实现了海洋细菌肽酶向有机磷农药降解酶的定向进化 。
为探究突变酶与野生酶酶底物选择性差异的原因 ， 作者利用X-射线衍射技术解析了野生酶与突变酶的蛋白晶体结构 。 通过比较蛋白结构 ， 结合计算模拟催化反应揭示了酶底物结合口袋结构的变化会影响两种底物与酶活性中心的结合模式 ， 使对氧磷在突变酶中距离活性中心更近 ， 更利于催化反应进行 ， 而二肽底物在突变酶中则相反（图2） 。


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