穿越早期地球的惡劣環境，古生物酶或能幫助現代化學合成

在史前的惡劣環境中，古細菌體內的酶具有無與倫比的耐熱性。科學家通過研究這些古生物酶，希望能夠定向改良現代生物酶，以幫助生產有價值的化學品和生物燃料。

圖註：早期地球環境藝術想像圖；供圖：NASA

來源 | AIP Inside Science

作者 | Catherine Meyers

在1990年邁克爾.克萊頓(Michael Crichton)的小說《侏羅紀公園》中，科學家們復活了已經滅絕的物種，給人類帶來滅頂之災。不過，如果科學家們不去製造完整有機體，而僅僅是再現生命早已丟失的那些古老的分子機制，又會怎樣呢？事實上，這就是科學家們最近在做的一個研究項目，相關論文發表在10月22日的《自然.催化（Nature Catalysis）》雜誌上。

生命誕生之初的耐熱酶

研究人員所討論的分子機件是一類被稱為酶的蛋白質，它們是生命加速各類化學反應，諸如食物消化或毒素分解等過程的關鍵。

工程師們一直都有興趣利用這些多功能的天然分子機件來加速工業中的化學反應，因為這是一種非常環保的生產方式。但不幸的是，在大規模工業生產的嚴苛條件下（高溫、高壓、高鹽溶液等），許多酶往往會在發揮作用前就被快速分解掉。

為了尋求更加強大穩定的酶，一個由澳大利亞、歐洲和中國科學家組成的研究團隊將目光轉向了生命歷史的最早期。此前已經有另一個團隊的研究表明，前寒武紀時期（從地球誕生到大約5.4億年前的生命多樣性大爆發之前的全部時間，跨度約有34.6億年）的細菌，其體內的酶可以在60攝氏度(合140華氏度)左右的溫度下發揮最佳作用。這很可能是因為，那時的細菌要長期生活在這種高溫的環境中。

圖註：嗜熱菌是最古老的微生物之一，可以耐受高溫

用機器演算法推測和再造古生物酶

在這項新的研究中，研究小組使用相同的基礎技術，再現了地球上出現多細胞生命之前和之後的幾種古生物酶。雖然這些酶早已在自然界絕跡，但科學家們研究了許多現代的不同物種基因，然後使用計算機演算法對這些基因的進化過程以及其共同祖先的基因形式進行了最佳推測。

利用這一過程，研究人員再造了早期脊椎動物可能用來清除體內的外來化學物的酶，以及一種可能幫助古老細菌構造自身蛋白質的酶。這兩種酶的現代相關產物已經引起了工業界的興趣，因為第一種酶具有幫助藥物開發和生產特殊化學品（如調味品和化妝香料）的潛力，第二種則可能在製造生物燃料方面有潛在用途。

圖註：一種耐熱生物酶的分子構型

與現代生物酶相比，這些古老的酶表現出更高的耐熱性，以及其他非常有用的特性，比如更好地抵禦化學溶劑的能力。即使是第一批脊椎動物體內的酶也是如此，雖然這些早期生命形式所面臨的生存環境，與今天的生物相比區別並不是很大。研究人員在論文中寫道，這種酶具備熱穩定性的原因可能是脊椎動物祖先都生活在原始海洋中，而當時的海洋溫度可能高達60攝氏度或更高。

古生物酶啟發改良現代生物酶

在米蘭的義大利理工學院工作的化學家埃米利奧.帕里西尼(Emilio Parisini)說：「這是一種非常有趣的酶工程方法，通過回顧遠古時代來啟發現代研究，而不僅僅是觀察生活在現代極端環境中的生物體。」他沒有參與這項研究，但他的小組正在研究如何改良生物酶，從而使之具備各種工業特性。

這項研究的作者認為，這類古老的酶可以成為穩定的「樣板」，運用2018年諾貝爾化學獎提到的研究，可以利用這些樣板進行定向進化實驗。澳大利亞布里斯班的昆士蘭大學生物化學家伊麗莎白.吉爾姆(Elizabeth Gillam)在一封電子郵件中寫道：「為定向進化而引入的突變往往會破壞蛋白質的穩定性，而這項研究則可以幫助我們從一個更穩定的起點來開始進行定向進化實驗。」

簡而言之，這些古老的生物酶可以幫助科學家們走上一條更加清潔、可持續的化學之路——這個生產前景非常誘人，而且不會反噬人類自身。

翻譯 | 孟慶宇

責編 | 高佩雯

https://www.insidescience.org/news/scientists-resurrect-ancient-versions-lifes-molecular-machinery

美國物理聯合會（AIP/American Institute of Physics）--InsideScience專欄獨家供稿

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