酶和金属有机框架有一些共同特征,正在研究其工业用途。澳门万博公司Clare Sansom报道。

美国加州理工学院的弗朗西丝·阿诺德因开发了酶定向进化的方法而获得2018年诺贝尔化学奖的一半。自然产生的酶是已知的“最绿色”和最有效的催化剂之一,她首创的进化方法极大地扩展了可以由这些精密的分子机器催化的反应库。在介绍阿诺德的诺贝尔演讲时,诺贝尔化学委员会的萨拉·斯诺格鲁普·林斯解释说,阿诺德为让这个星球变得更美好做出了巨大的努力:“她开发的酶可以以可持续的方式加速化学反应,减少浪费。”

自生命首次出现在我们的星球上以来,在超过30亿年的时间里,进化产生了数百万种酶来催化数千种不同的反应。相比之下,在过去100年左右的时间里,化学家们发现和发明的工业用催化剂的数量要少得多。大多数合成催化剂的选择性不如酶;它们通常在高温或其他恶劣条件下工作得最好,而且它们可能产生有毒的副产品。到20世纪中期,化学家们转向自然界寻找替代催化剂,这并不奇怪,但由于化学工业所需的大多数反应在自然界中都找不到,因此没有专门进化出用于进行这些反应的酶。从本质上讲,为阿诺德赢得诺贝尔奖的技术是一种精心设计的进化方式,以产生能够执行我们所需任务的酶。

我立刻意识到我的团队所做的事情的重要性

工业上的化学合成通常在高极性有机溶剂中进行,如二甲基甲酰胺(DMF)。20世纪80年代,德国生物物理化学家曼弗雷德·艾根(Manfred Eigen)提出,进化可能被“引导”产生具有特定功能的酶。1993年,阿诺德发表了一篇开创性的论文,描述了这种酶细菌蛋白酶的定向进化她解释说:“这种酶已经广泛应用于洗涤剂中,但在洗衣机中发现的高度‘非自然’的化学环境中,它是不稳定的。”“通过反复生成一组不同氨基酸的突变酶,并选择具有最佳性能的变体,我们生产出了一种在DMF存在下有效工作的枯草菌素。”

这种新型酶与野生型枯草菌素只有四个氨基酸位置不同,它开启了阿诺德的明星研究生涯,并随之开启了酶工程行业。她补充说:“我立刻意识到我的团队所做的工作的重要性,但我在学术界的同事们花了一段时间才同意。”“然而,工业化学家们马上意识到,这项技术可以通过制造新型酶来解决实际问题。”

这种基本技术的主要障碍是蛋白质序列几乎是无限可变的,合理构建的突变体库只会从可能的“序列空间”中采样一小部分。阿诺德与荷兰生物技术学家威廉·斯坦默(Willem Stemmer)合作,后者发明了一种被称为DNA洗牌的DNA重组策略(或者更生动的“试管性爱”),在不增加成本的情况下大幅增加了这些文库的规模。斯坦默是一名连续创业者,参与创立了几家成功的公司,包括1997年将DNA重组商业化的Maxygen。该公司于2013年倒闭,但其分拆出来的Codexis公司仍在使用阿诺德和斯特默的定向进化方法设计定制酶,通常是为了取代更苛刻、特异性更低的合成催化剂。

进行业

显示乙醇脱氢酶活性部位的图像

来源:©科学图片库

酶,像乙醇脱氢酶,有金属活性位点,周围是复杂的蛋白质…

酶工程技术现在广泛应用于化学和生物技术行业,包括默克和庄信万丰这样的跨国公司。庄信万丰集团自2002年以来一直为精细化工和制药行业生产酶和其他催化剂。2010年,他们收购了一家小型德国生物技术公司X-Zyme,以补充现有的催化剂组合,X-Zyme专门生产用于合成高纯度手性醇和胺的酶。从那时起,他们使用各种技术开发了大量工业上强大的酶,以优化酶的确切特异性,以满足客户的要求。

数以百计的酶类都有实际或潜在的用途作为工业生物催化剂,但该领域仅由少数人主导。现代工业生物催化真正开始于最广泛使用的一类:醇脱氢酶。这些酶在哺乳动物体内的功能是分解有毒的酒精,但细菌形式催化了酒精合成的“反向”反应,将NADH氧化为NAD+.这些细菌酶在工业上是最重要的,它们是合成手性醇对映异构纯立体异构体的有效催化剂。庄信万丰之所以对X-Zyme感兴趣,是因为该公司获得了将细菌中的酒精脱氢酶商业化的全球独家许可短乳

庄臣万丰酶产品的理念是由客户和他们所需的催化剂驱动的。“我们的第一步总是涉及生物信息学:从公共和商业数据库中1亿多个可用的酶序列中寻找最相关的酶序列,”英国剑桥庄信万丰生物催化酶开发部门的负责人Ahir Pushpanath说。“但即使我们真的在大海捞针,它的活动也不太可能完全符合客户的要求;在这种情况下,我们会尝试用复杂的生物信息学工具(包括对接和分子动力学)发现的突变来调整它。”

然而,有时这些庞大的数据库将不包含为强化过程条件做好准备的匹配项。在这种情况下,Johnson Matthey团队将使用与Arnold类似的定向进化技术,将野生型酶进化为新的功能。普什帕纳特说:“如果酶工程要有效地工作,重新利用一种已经具有少量所需功能的酶,以及它的天然功能,将永远是一个优势。”

如果你不能在序列数据库中找到你需要的具有确切特异性的酶,或者从具有相关功能的酶进化而来,打个比方,你可能会在你的脚下找到它。几乎每次对新的细菌基因组进行测序时,都会发现新的酶,而这些基因组中仍有大量是未知的。一个典型的土壤样本包含许多类型的细菌,这些细菌没有被单独培养,但它们的DNA仍然可以被采样,并使用所谓的“宏基因组”技术进行测序。

来自“化学不寻常”环境的土壤样品更有可能产生具有新功能的酶,也许令人惊讶的是,不需要走很远就能找到这些酶。“如果你想找到耐热的酶,你需要在恶劣、炎热的环境中寻找。剑桥庄信万丰(Johnson Matthey)的高级生物化学家塞雷娜·比萨尼(Serena Bisagni)解释道。“这些地方包括活火山和温泉,但也有离家更近的地方;我们从土壤样本中提取的细菌中发现了一种非常有用的稳定的酒精脱氢酶,这种土壤样本一直暴露在洗碗机的蒸汽中。”

有趣的是,在高温环境中生长旺盛的细菌的酶在环境中也经常活跃。事实上,这些酶在比化学催化剂所需的条件温和得多的条件下,通常可以有效地用于商业用途。而且它们还有一个优势;它们溶于水,在水中有活性。普什帕纳特说:“大多数酶已经进化到可以在细胞质或生物体的细胞外介质中发挥作用,这些环境可以近似于水溶液。”“与传统催化剂不同的是,使用生物催化剂通常不需要在有毒、难以安全处理或昂贵的‘疯狂’溶剂中进行反应。”

进入财政部

在MIL-101(Cr)框架中显示一个大孔隙的图像

来源:©Christoph Janiak/University of Düsseldorf

而mof的金属原子周围有复杂的有机连接剂,比如这个铬基MIL-101

许多工业上有用的酶家族——包括一些类别的醇脱氢酶——都是金属酶,因为它们的活性位点包含一个或多个在催化中起重要作用的金属离子。在乙醇脱氢酶和几乎所有的金属蛋白酶中,这种金属就是锌。这些酶可以被认为是氨基酸的框架,将金属离子和其他活性基团固定在活性位点的相对位置上,因此它们可以与反应物形成过渡态,加速反应。在原子水平上,这强烈地让人联想到合成金属有机框架(mof)的结构。这些是配位聚合物,由有机链接体组成,与金属离子配合形成框架,通常是三维的。这些复杂且多孔的化合物已经形成许多工业用途,一些金属及其周围的连接剂的组合将形成明确的催化中心,可以像金属酶活性位点一样有效地稳定过渡态。MOF催化剂被认为具有重要的工业应用。

与酶相反,MOFs在固体状态下形成活性催化剂,而酶在溶液中起作用。在mof催化的反应中,反应物以液相或气相穿过框架;这将MOFs定义为多相催化剂,与反应物相不同。德国海因里希海涅大学Düsseldorf分校的Christoph Janiak解释说:“对于工业来说,多相催化剂的优势在于,在反应发生后,催化剂可以很容易地从产物中分离出来。”“然而,酶是均相催化剂,与反应物处于同一相:它们通常具有更高的活性和特异性,但产物更难纯化。”

对于工业来说,多相催化剂的另一个优点是可以在连续过程中使用。简单的固态催化剂用于炼油厂,将长链碳氢化合物“裂解”成石油和天然气行业所需的低分子量碎片,而不需要中断分离和回收催化剂的过程。有了MOF催化剂,这种类型的过程化学可以在精细化学品和药物的合成中复制。相比之下,涉及均相催化剂的过程必须不时停止,并对产物进行纯化,这既是为了防止有价值的催化剂的损失,也是为了从反应产物中去除潜在的有毒杂质:当然,后一点对药品尤其重要。

MOF催化剂的毒性主要取决于形成框架或其活性中心的金属的性质。大多数具有催化活性的金属,无论是在mof中还是在其他形式中,在某种程度上都是有毒的。铝可以用来构建MOFs,它有很多优点:含有铝的MOFs通常稳定且不降解,除非浓度非常高,否则金属离子被认为是安全的,而且价格便宜且广泛可用,但铝的催化应用很少。铂和其他贵金属作为催化剂被广泛使用,它们具有细胞毒性,价格昂贵。不出意外的是,在酶活性部位经常发现的金属是例外。Janiak说:“金属酶已经进化到使用最安全的金属,最常见的是铁、锰和锌,但生物体也进化出了严格控制体内游离铁和锌量的机制。”即使是铁,量大了也会有毒。”

十年前,专家评论员是这样的预测MOFs将在日常使用中加入酶作为安全有效的工业催化剂。然而,到目前为止,大多数还停留在实验室的工作台上,除了一个非常小的数字.Janiak说:“我们对MOFs作为工业催化剂最严重的担忧是,它们在水的存在下通常不稳定,很难从工业规模的合成化学中完全去除,而且它们在有效反应温度下不稳定。”“在某些应用中,这不是问题,甚至先天的不稳定性会增加功能,但这些都是专门的应用。”

与此同时,从阿诺德的发明发展起来的蛋白质工程行业正在生产专门的酶,用于不断扩大的商业用途。普什帕纳特说:“我们越来越有能力发现或设计用于反应的完美酶,并使其在温和、安全的条件下有效工作。”“我们甚至开始在一些连续流动过程中使用酶来取代多相催化剂。”

克莱尔·桑瑟姆,英国伦敦科普作家

文章更新了3月28日,以纠正乳酸菌种类