酶是自然界的终极催化剂,化学家们现在正准备从零开始制造自己的版本

倒数第二个圣杯文章是由哥伦比亚大学的罗纳德•布勒斯洛.布雷斯洛于三年前去世,他是有机化学领域的巨人,曾任美国化学学会主席,他因研究维生素B的作用机制而闻名1芳香性、远功能化和地球上同手性的起源。

布雷斯洛的另一个主要兴趣是研究酶如何如此快速有效地进行反应,并利用这一见解开发新的催化剂。1970年,他创造了“人工酶”一词,几十年来,他的团队完成了大量工作,旨在使用更简单的类似物模拟生物催化过程。

将新化学引入生物世界的机会太多了

弗朗西丝·阿诺德,加州理工学院

巴塞尔大学的化学家说:“他显然是这个领域的先驱。托马斯·沃德.“如果你看看和他一起工作过的人,或者为他工作过的人,以及他们后来的成就,你会发现他无疑是非常有影响力的。”

布雷斯洛对环糊精非常感兴趣,这是一种由多个葡萄糖亚基组成的大环。像酶一样,它们包含许多官能团,可以帮助协调底物和直接催化。Breslow表明,可以通过调整环糊精的结构和灵活性来更好地适应底物和过渡态来提高反应速率。

在一个例子中,Breslow证明了一个环糊精可以结合两种底物和促进Diels-Alder环加成.当时,人们相信这种反应不存在天然的酶用Breslow的话说,这表明“仿生化学(可以)超越生化催化的范围”。

Breslow还试图通过在催化剂中加入金属结合基团来模拟含金属的酶。在写圣杯论文之前不久,布雷斯洛报道了一种酶模拟物由连接到两个环糊精单位的镧结合基团组成。这两个基团会将底物分子拉伸到金属中心,使其水解通常不会与金属离子配合的酯类。

在其他例子中,Breslow将金属卟啉(就像在细胞色素P450酶中看到的那样)附着在环糊精结构上,再次显示了非共价相互作用如何引导底物超过金属和环糊精结构促进位点选择催化.许多研究人员在这些概念的基础上,分子识别元件设计他们的有机金属催化剂,目的是模仿酶的行为。

一些研究人员甚至从大自然的蓝图中获得了更多的灵感。与其将金属绑定到简化的有机口袋中,为什么不使用现成的生物分子呢?格罗宁根大学本Feringa而且杰拉德Roelfes开创了利用DNA螺旋的旋向性在新的对映选择性催化剂中。

谁会引用谁的话?

人工酶领域的引用网络是相当复杂的,但清晰的模式出现了

定向进化

中间的大核心簇——以Manfred Reetz为例,在这里强调——代表了使用定向进化来提高真正酶的性能,甚至使它们进行它们在自然界中通常不进行的反应的研究人员。

Metal-centred

另一个集群(汤姆·沃德强调)是通过将新的金属中心加入蛋白质来制造人造金属酶,再次使用定向进化来提高性能。

开始小

罗纳德·布雷斯洛(Ronald Breslow)等化学家,他在1995年撰写了关于圣杯的文章,试图制造具有酶等活性的小有机分子。

纳米簇

网络图最右边的簇,这里突出显示的是阎希云,正在制造纳米酶:模仿酶的功能,但不是酶的结构的纳米颗粒。

这张图表显示了研究人工酶的研究人员是如何通过分析他们在论文中引用的人来联系起来的。主要枢纽由从事蛋白质工程和生物催化的研究人员主导,由于他们的工作吸引了大量的引用,Frances Arnold和Manfred Reetz出现在最大的节点上。托马斯·沃德、杰拉德·鲁尔夫斯和本·费林加可以在主群左边的较小的集群中找到。图中最右边的组包括许多对催化纳米材料或“纳米酶”感兴趣的研究人员,任劲松和曲晓刚是两个最大的节点。布雷斯洛在有机酶模拟方面的工作与其他领域有些不同,可以在图表的右上角附近找到。有关如何构建这些数据可视化的解释,请阅读数据背后

工程性质

其他的研究小组已经回到了蛋白质。蛋白质的活性位点经过数百万年的精心设计,以令人难以置信的选择性进行化学转化。为什么不重新设计这些非自然过程呢?

早期尝试修饰蛋白质的活性位点并加入新的metal-coordinating结构都是在实验室里进行的埃米尔凯撒而且乔治·怀特赛兹教授20世纪70年代。沃德解释说,尽管最初的结果很有希望,但进展缓慢。“在上世纪70年代末,制造重组蛋白并非易事。他说,这个领域基本上沉寂了25年。

自1995年以来关于人工酶的前20篇论文。排名第一的是2013年一篇关于纳米酶的评论文章,被引用了1336次。罗纳德·布雷斯洛(Ronald Breslow)发表了两次关于环糊精类酶的综述论文——包括圣杯论文。第九名(D Rothlisberger et al)是Dan Tawfik和David Baker的实验室关于计算酶设计的论文

蛋白质表达和基因工程的进步在世纪之交引起了人们对基于蛋白质的人工酶的兴趣。1999年,由阿尔伯特·陈在香港理工大学,他重新启用了怀特塞德的方法将铑络合物加入亲和素中一种存在于蛋清中的糖蛋白。由此产生的加氢催化剂显示出改进的对映选择性,尽管仍然不大,但更重要的是,这项研究标志着对基于蛋白质的人工酶的新研究的繁荣。在过去的二十年里,全球的研究人员使用了很多不同的蛋白质创造人工金属酶,催化各种反应。怀特塞德的原始论文从1978年首次发表到陈1999年的研究,平均每年被引用两次,自世纪之交以来,已经被引用了近400次。

基于蛋白质的人工酶的一个优点是它们可以在生物环境中使用。这意味着它们有可能被整合到代谢过程中。沃德说:“在酶存在的情况下,你不能添加有机金属催化剂,因为它们是不相容的。”“所以酶会抑制有机金属催化剂,而有机催化剂会抑制酶。如果你将有机金属催化剂分隔在蛋白质中,那么它们就会相互兼容。”

2012年,Ward的研究小组展示了一种人工酶是如何在链霉亲和素宿主蛋白中嵌入铱复合物,并与天然酶协同工作的多级级联反应.在此基础上,他们使用了一种人造金属酶调节基因回路在哺乳动物细胞内。

在这里,研究人员与其他研究人员联系在一起,他们经常与他们共同撰写论文。它使我们能够直观地看到彼此密切合作的团队。弗朗西丝·阿诺德和曼弗雷德·里茨都因在酶进化方面的开创性工作而闻名,他们是图表中心两个最大的节点。在图表中心下方,我们可以看到魏茨曼研究所的Dan Tawfik和苏黎世联邦理工学院的Donald Hilvert,他们通过华盛顿大学的研究人员David Baker联系在一起,他们都发表了关于计算蛋白质设计的论文

控制进化

研究蛋白质的另一个显著好处是,它们可以使用定向进化技术进行优化——这是生物化学家的东西弗朗西斯·阿诺德在加州理工学院获得2018年诺贝尔化学奖。

“将新化学引入生物世界的机会太多了。“大自然有她自己的反应方式,但这并不意味着她仅限于这些,”阿诺德说。“所以我认为化学家们将会有非常激动人心的机会,他们会用全新的眼光来看待酶,不是看它们现在做什么,而是看它们将来能做什么——尤其是如果你用进化来训练它们的话。”

阿诺德的实验室已经展示了如何引导突变轮植入新功能在酶。该小组已经创造了酶,可以转化广泛的底物,并进行许多非自然反应,从摘要总结碳硅键的形成

这张图表显示了酶如何经过世代调整来催化新的反应

来源:弗朗西斯·阿诺德2018年诺贝尔演讲©诺贝尔基金会

Arnold的小组通过使用合成的卡宾和硝基化合物前体来驱动新的反应中间体的形成,扩大了P450化学的范围。定向进化可以用来塑造酶,控制和增强新的自然活性

在一个例子中,阿诺德的小组展示了如何将突变引入单加氧酶,使其能够有效地发挥作用催化硝基转移反应.这种非原生化学物质第一次预测在他早期研究血红素蛋白时。

“这一切都要回到罗恩·布雷斯洛身上。阿诺德说:“他在1985年提出,细胞色素P450可以进行硝基转移……事实上,他证明了它可以进行一到两次翻转。”“25年后,我们有了工具,把那一点点反应性变成了一种真正的酶,但是他的灵感推动了这一发现。”

对于阿诺德来说,这说明了化学家在自然设计的基础上进行研究时可能出现的新可能性。“生化学家关注的是蛋白质在生物化学系统中的作用,而化学家并不关心,对吧?”化学家说:“哦,这是大自然创造的一个美丽的活性位点,它能做什么呢?”她解释道。“这就是仿生化学所要做的——不仅仅是模仿自然,还能想出新东西。”这给了我们很多灵感。”

当化学遇上生物学

现在,像沃德这样的研究人员正在利用定向进化,同时用新的含金属催化中心增强酶。沃德说:“杰拉德·乔伊斯曾经非常有见解地宣称,‘生物系统有分子记忆’。”“关键是记忆可以让你优化表现,因为你在表型和基因型之间有这种联系。”在我开始研究这个课题后,我想到的是,我们所做的是为有机金属化学添加遗传记忆。”

这张地图显示了在过去25年里,在人工酶方面发表论文被引用最多的研究人员的位置。该图表显示了广泛的地理分布,美国和中欧的研究人员高度集中。近年来来自中国的重要论文的出现可能也反映了对“纳米酶”(具有酶类特性的纳米材料)日益增长的兴趣

最近,约翰Hartwig他在加州大学伯克利分校(University of California, berkeley)的研究小组开发出了替代血红素蛋白中含铁卟啉的有效方法辅因子中含有贵金属.通过这样做,他们扩展了这些酶可以进行的化学类型。他们的含铱人工酶可以催化碳碳键形成反应,这是天然含铁血红素蛋白不会促进的。通过将这种策略与定向进化相结合,它们已经能够增强酶的活性与天然酶的速率和选择性相匹配。

另一个领先的团队是苏黎世联邦理工学院的实验室唐纳德Hilvert他曾与布雷斯洛和凯泽一起工作过。希尔弗特的团队甚至从零开始创造了高活性金属酶。2018年,他们产生了一种小蛋白质从计算设计的锌结合肽,然后利用定向进化来驱动其在酯水解反应中的活性。由此产生的酶以与天然酶相当的速率实现了这一功能。对沃德来说,这证明了化学和生物学相结合的力量。

“如果你拿一个水解酶,它的速率接近108沃德说:“我认为,你已经证明了赋予有机金属化学以遗传记忆是确实可能的。”“我认为这真的非常壮观。”

地理说明:这张地图显示了在过去25年里撰写人工酶论文被引用最多的研究人员的位置。该图表显示了广泛的地理分布,美国和中欧的研究人员高度集中。近年来来自中国的重要论文的出现可能也反映了对“纳米酶”(具有酶类特性的纳米材料)日益增长的兴趣。

累计引文说明:自1995年以来人工酶方面的前20篇论文。排名第一的是2013年一篇关于纳米酶的评论文章,被引用了1336次。罗纳德·布雷斯洛(Ronald Breslow)发表了两次关于环糊精类酶的综述论文——包括圣杯论文。第九名(D Rothlisberger)是丹·陶菲克(Dan Tawfik)和大卫·贝克(David Baker)实验室关于计算酶设计的论文。

引文网络说明:这张图表显示了研究人工酶的研究人员是如何通过分析他们在论文中倾向于引用谁来联系在一起的。主要枢纽由从事蛋白质工程和生物催化的研究人员主导,由于他们的工作吸引了大量的引用,Frances Arnold和Manfred Reetz出现在最大的节点上。Ward, Roelfes和Feringa可以在主群右边的小群中找到。图中最右边的组包括许多对催化纳米材料或“纳米酶”感兴趣的研究人员,任劲松和曲晓刚是两个最大的节点。布雷斯洛在有机酶模拟方面的工作与其他领域有些不同,可以在图表的右上角附近找到。

合著者网络说明:在这个图表中,研究人员与他们共同撰写论文的其他研究人员联系在一起。它使我们能够直观地看到彼此密切合作的团队。弗朗西丝·阿诺德和曼弗雷德·里茨都因在酶进化方面的开创性工作而闻名,他们是图表中心最大的节点。在图表中心下方,我们可以看到魏茨曼研究所的Dan Tawfik和苏黎世联邦理工学院的Donald Hilvert,他们通过华盛顿大学的研究人员David Baker联系在一起,他们都发表了关于计算蛋白质设计的论文。