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生物酶，是具有催化功能的蛋白質。它是生命體中的「精靈」，存在於生物的所有生命活動之中，也是它們賦予了生物的星羅萬象和多彩變幻，例如，它們在植物的光合作用發揮重要作用，將二氧化碳神奇地轉化為氧氣和能量。

細胞色素 P450 酶（CytochromeP450 monooxygenase），則是生物酶中一類比較特殊的氧化酶，可以算是生物酶中的「高階精靈」。

P450 酶大概就長這樣

P450 酶是一類在自然界中廣泛存在、以亞鐵血紅素為反應活性中心、以氧分子為氧化劑的多功能氧化還原酶。它廣泛參與生物體中激素等內源性化合物的合成，以及環境污染物等外源性物質的代謝降解。

P450 酶的「特異功能」在於，它們能在溫和條件下高選擇性地催化惰性 C-H 鍵羥化、烯烴環氧化、雜原子氧化等多種類型反應。例如，他們可以將「黑乎乎的石油」變成具有使用價值的顏色和香料。因此，P450 酶在生物化工、有機合成等領域也有著巨大的應用潛力。

雖然 P450 酶如此神奇，但在實際應用中它並不能完全自如地釋放出體內的「洪荒之力」。這主要是因為，P450 酶在發揮「神力」的時候必須要看輔因子 NAD(P)H 和電子傳遞鏈的臉色。這兩位才是 P450 酶力量的源泉呢！不過，NADPH 昂貴高冷，電子傳遞鏈複雜嬌貴，都不好伺候，所以 P450 酶只能保存實力了。

那麼，怎樣才能讓 P450 酶擺脫對 NAD(P)H 和複雜電子傳遞鏈的依賴，去充分發揮特殊能力呢？科學家們想到了一個行之有效的方式——利用過氧化氫（H2O2）催化。

過氧化氫成本低廉、反應時僅生成水作為副產物，具有環境友好性，因此是 P450 酶最理想的「綠色力量」源泉。但是困難又擺在面前了，絕大多數天然 P450 酶在 H2O2存在下的活性都很低甚至沒有活性，這主要是一般的 P450 酶沒有能先天利用 H2O2的能力。

認識到上述問題之後，科學家們就開始通過定向進化、定點突變等方式對 P450 酶進行了專項訓練。但無奈 P450 酶自身的能力有限，雖然經過了很多努力，還是提升不大。

那麼，怎樣才能使 P450 酶突破天生的限制，以高效利用 H2O2來催化呢？

最近，中科院青島能源所研究員叢志奇帶領的單碳酶催化研究組，就探索出了一種新的方法。

他們借鑒天然過加氧酶利用 H2O2的催化機制，將化學直接干預策略與酶分子工程技術相結合，創新性地製造出一個P450 酶的專屬「神器「，P450 酶BM3 與這個專屬「神器「完美結合，就成為可直接利用 H2O2的 P450 過加氧酶。

圖1 雙功能小分子驅動的 P450 過加氧酶和推測的催化機理

那麼這個神奇的專屬「神器「是什麼呢？它就是具有雙功能作用的有機小分子。

這個專屬「神器」又是如何發揮作用的呢？研究人員在雙功能小分子的一端，加上了具有高效利用 H2O2能力的神奇碎片——咪唑；另一端則加上能與 P450 酶 BM3 完美結合的帶有醯基氨基酸的錨定碎片。P450 酶 BM3 與此「神器」結合時，錨定元件就融入到 P450 酶 BM3 「心臟」中，而「咪唑基團」則活化了 H2O2，完成 P450 酶 BM3 的催化氧化。

此專屬「神器」的出世，使得 P450 酶利用 H2O2催化的能力大大提升，通過對該策略的評價可知，配備「神器」的 BM3 對烯烴環氧化、硫醚亞磺化、苄基型羥化等多種反應顯示出了目前報道中 P450 酶利用 H2O2催化的最好活性，能力顯而易見。

這一策略不僅賦予了一般 P450 酶利用 H2O2進行催化氧化的能力，大大拓展了 P450 酶實際應用的範圍，而且為拓展 P450 酶神力-開發基於 P450 酶的非天然底物氧化生物催化劑提供了一條新的途。同時，也為通過化學干預手段拓展 P450 酶的催化活性、功能、應用提供了新的思路，具有十分重要的科學意義和潛在的應用價值。

來源：中國科學院青島生物能源與過程研究所

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