就像真的一樣：Science報道Hartwig組「既快又強」的人工金屬酶
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酶以高效的催化性能而著稱，但生物產生的天然酶底物相容性往往較差，在很多反應中無法發揮作用。為酶換上貴金屬離子，使其具備貴金屬離子的催化能力是很巧妙的方法。但得到的人工金屬酶往往速率低下，不能真正實際應用。
美國加州大學伯克利分校（UC Berkeley）及能源部勞倫斯伯克利國家實驗室（Berkeley Lab）的John F. Hartwig教授最近的一項研究大大加快了仿生酶的催化速率。通過在天然酶上配位銥離子，並對活性位點的幾個殘基進行突變，科學家創造的「混血」酶每小時能轉化2550個分子，這幾乎可以媲美具有相似功能的天然酶了。該研究成果發表在Science上，它是人工金屬酶領域的一項重大突破，為那些天然酶無能為力的反應帶來了希望。（An artificial metalloenzyme with the kinetics of native enzymes.Science,2016,354, 102-106, DOI: 10.1126/science.aah4427）
圖1. 與天然酶相媲美的人工金屬酶。圖片來源：Hanna Key/Berkeley Lab
Hartwig表示：「我們的工作證明人工金屬酶具有實際應用價值，而不是僅僅是科學家的花把勢。」
Hartwig實驗室在人工金屬酶領域建樹頗多，就在今年早些時候，他們曾在Nature報道用銥離子代替肌紅蛋白（myoglobin）中的鐵，使其能夠催化原來的天然酶無法催化的反應（DOI: 10.1038/nature17968，點擊閱讀相關）。研究者當時選擇肌紅蛋白為研究對象是因為這是一種被研究得相當透徹的蛋白，易於操作。不過那項研究的一個缺點是新的仿生酶催化速率很低，比天然酶幾乎要慢1000倍。Hartwig自己也承認：「我們創造的人工金屬酶當然有催化作用，它加速了反應，但確實不如天然酶速率快。」
但反應速率是酶催化反應的核心要素之一，Hartwig無法迴避這個問題。研究者這一次不再關注肌紅蛋白，轉而研究CYP119，細胞色素P450酶家族（CYP）的一員。CYP蛋白內含的卟啉會與鐵離子絡合，催化很多有機分子的氧化反應。
圖2. CYP119的蛋白結構及活性位點。圖片來源：Science
UC Berkeley的博士後Pawel Dydio與研究生Hanna Key一起完成了大部分實驗工作，他們是本文的共同第一作者。
研究團隊將CYP119的鐵卟啉換成了銥卟啉，並不斷突變活性位點的殘基，測試催化活性。實驗證明新的仿生酶催化速率提升了一個數量級，這使它在與天然酶的比較中獲得了優勢。
圖3. CYP119仿生酶催化的模型反應及突變體催化性能，這種酶能催化C-H中插入卡賓的反應。圖片來源：Science
除了高速率，CYP119仿生酶還具有其他一些優點，如：耐高溫高壓、能結合較大的有機分子、反應過程中不被消耗可重複使用等等。鑒於當前學術界對於人工金屬酶的主要攻擊點是「無實際應用價值」，Hartwig等人的工作確實很有意義。
由於人工金屬酶能夠催化的分子骨架非常多樣，或許將來能在藥物研發中發揮作用。而Hartwig沒有停止腳步，他下一步打算設計出能由細胞生物合成並在細胞內發揮作用的人工金屬酶。
氘評：
Hartwig連續兩篇大作似乎表明更換金屬核心（賦予催化某類反應的能力）和殘基突變（提高速率、提高轉化數）是製造高效的人工金屬酶的通法，但我總感覺最開始挑選的天然酶很有講究，不止是易得、易操作這麼簡單。
1. http://science.sciencemag.org/content/354/6308/102
2. http://phys.org/news/2016-10-scientists-rev-bionic-enzyme-reactions.html
（本文由氘氘齋供稿）
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