年12月1日星期三联系电话： 0991-5509362 新知·生物 投稿邮箱 责任编辑赵天然视觉武帆 微信公众号 btrb381@ “酶”力无穷 ●吴边李涛 酶，是生命不可缺少的核心物质。
基因编辑、干细胞技术、靶向药物……生命科学中的诸多关键技术和产品制造，都离不开酶。
随着现代生物技术的快速发展，科学家们对酶的理解更深入，利用酶、改造酶，这种“绿色制造”，不仅能改善人类的生活，也开启了设计生命的大门。
发现与认识酶，一个久远的故事 人们对酶的认识，或许可以从酒开始讲起。
有一种观点认为酒是这样起源的：古代劳动人民有了富余的粮食后，将它们存在空的桑树洞里。
时间久了，粮食就变成了一种具有香味的液体。
后来，这种无意的发现就变成了有意识的行为，酿酒由此而生。
但那时的人们并不清楚，酿酒的过程就是人类最早利用酶的开端——粮食中的糖类之所以能够变为酒精，就是酶在起作用。
今天，我们已经知道，酶，是一类由细胞产生的生物大分子催化剂。
酶的本质是具有催化效能的蛋白质，它们的空间结构复杂而多样。
当一种物质需要转化为另一种物质时，有时需要先达 到一个很高的能量级别，有的化学反应因为需要越过这个像高山一样的能级，遂“望而却步”或“缓缓而行”；而大自然会使用酶来削低这座山的高度，加速转化过程，科学家们称它为“生物催化”。
目前已知的酶可以催化超过数千种生化反应。
正因为有酶的存在，生物才能 进行生长、代谢、发育、繁殖等生命活动。
从无意识地利用，到科学地认知，人 们对酶的认识经历了一个漫长而久远的过程。
19世纪，人们逐步发现食物在胃中能够被消化，植物的提取液可以将淀粉转化为糖等现象，从而初步认识了酶的催化作用。
为了研究酶分子的精妙结构，探究它的催化原理，科学家可通过X射线晶体学、冷冻电镜等手段研究酶的三维结构。
酶，生命功能的执行者 随着研究的深入，大家发现，酶对于生命体是如此重要——不要以为“催化”只是一个化工上的名词，生命就是一场盛大的化学事件，人体是一个极其复杂的“生物化学反应器”，由酶驱动的生化反应网络奠定了生命活动的核心基础。
其中，我们首先要说到酶的最大作用——高效的催化剂。
在生命体中，每分每秒都在发生催化反应。
比如，人类吃的食物并不直接提供能量，而是要将食物中的葡萄糖进行氧化，才能释放能量，以维持生物体的体温，并为生命活动提供能源。
如果没有酶的参与，在常温常压条件下，实现这一系列的反应，需要几年甚至更长的时间——如果没有酶，消化一口馒头可能要一年时间。
若要加快反应速度，就必须使用三百度以上的高温，而这在生物体内是不可能实现的。
我们体内一些酶，可以将底物转化为产物的速率提高数百万倍到上亿倍。
正是在一系列酶的催化作用下，葡萄糖氧化的过程，才能在常 温常压下瞬间完成。
一些酶促反应会与我们的感知不经 意相交，是它们让我们感受到酸甜苦辣。
例如，当我们反复咀嚼馒头或米饭，舌头即会感知甜味，这是由于唾液腺分泌的淀粉酶，促使淀粉部分分解为麦芽糖。
而酶的存在也能解释很多现象。
比如，为什么有的人饮酒会“上脸”，有些人则不会？为什么人会“宿醉”？这与两个酶关联甚重：肝中的乙醇脱氢酶负责将酒中的乙醇氧化为乙醛，生成的乙醛进一步在乙醛脱氢酶的催化下转变为无害的乙酸。
有的人乙醇脱氢酶活性高，则饮酒后乙醛水平迅速升高，乙醛使毛细血管扩张，表现为人的面部潮红；可若这个人体内的乙醛脱氢酶活性较低，那么难以转化的乙醛在体内堆积，会导致宿醉，甚至造成肝损伤。
这些特点让酶与现代医学密不可分。
例如，医生可以通过检测人体特定的酶的含量，来判断疾病的状况。
而酶，也成为治病的药物。
链激酶、尿激酶作为溶栓治疗的常用药物，已有数十年的临床应用历史。
酶，日常生活的“帮手”，生物制造的“芯片” 除了催化的高效性，酶还具有很多特点。
酶的一个重要特点是专
一。
通常，一种酶只催化一种物质、发生一种反应，或者化学结构类似物质的相同反应，对其他物质则不会产生催化作用。
这也保证了酶在我们体内不会“乱来”——如葡萄糖氧化酶，只催化葡萄糖的醛基氧化为葡萄糖酸，而不会催化葡萄糖的其他基团，亦 不会催化其他物质的氧化反应。
生物体在不断的进化过程中赋予各种酶专属的功能，一旦由于某些原因造成某一种酶的缺失，或催化活性低下，生物的新陈代谢就会紊乱，可能导致疾病甚至死亡。
这也是很多疾病产生的原因之
一。
我们的日常生活离不开酶。
比如开门七件事“柴米油盐酱醋茶”中，酱油、醋、茶叶的发酵都离不开酶。
在酱油酿造中，通过微生物所产生的酶，加速完成了蛋白质水解、淀粉糖化、有机酸发酵等各类生化反应；豆瓣酱、醋、腐乳、酸奶等的生产，离不开各种微生物中的酶。
对现代工业而言，酶，也是绿色生物制造的核心“芯片”。
由于酶具有高催化效率、高度的专一性、作用条件温和、可生物降解等优点，在工业制造中可减少原料和能源的消耗，降低废弃物的排放，具有绿色制造和可持续发展的典型特征。
例如，药厂用特定的合成酶来合成抗生素；纤维素被纤维素酶分解后进行发酵生产生物燃料。
在科学研究中，基因操作的“分子剪刀“”缝合器”与“精准编辑器”本质都是酶；塑料垃圾也可以找到或者改造出对应的高效酶使其完全降解。
目前，天然酶与人工酶一起实现了众多高价值产品的生物合成，生物催化正处于第三次发展浪潮中，酶改造的进程也在大幅加快。
酶的绿色与可持续的特征将进一步凸显，助力我们享受更美好的生活。
据《光明日报》 结构微调，让古老酶种也能“吃”塑料 ●陈曦 塑料废弃物在环境和生态系统中造成的污染，已经成为不可忽视的严重问题。
聚对苯二甲酸乙二酯（PET）是生产与消耗量最多的塑料之
一，大多数矿泉水瓶就是用PET作为原料。
PET废弃物主要以掩埋或焚烧法来处理，但掩埋法无法彻底消除PET，焚烧则会产生温室气体造成二次污染。
据悉，湖北大学生命科学学院、省部共建生物催化与酶工程国家重点实验室郭瑞庭教授与陈纯琪教授团队，经过研究推论出，细菌为快速适应堆积的PET废弃物，在古老的角质酶中导入突变，使之转变成高效的PET降解酶。
这个发现为创制更 多优质PET降解酶提供了有效策略，目前团队已生产出多个新型PET降解酶，为发展生物降解塑料开辟了新途径。
PET的塑料分类代号为1号，全球年产量已近7000万吨。
PET防水、耐热、抗酸碱腐蚀，所以大量被用来制作食品饮料 的包装瓶/盒和人造纤维。
目前，PET的回收率仅有10%左右，且较常使用的物理或化学回收处理方法都具有局限性。
因此，发展温和绿色的生物降解法来处理PET废弃物，是人类社会寻求可持续发展的重要方向。
塑料的性质稳定，一般认为需要数百年的时间才可能被自然分解。
2016年，科学家在PET回收处分离出了一株能“吃”PET的细菌——Ideonellasakaiensis，该细菌能分泌一种将PET水解成小分子的酶——IsPETase，分解后的小分子还可以被细菌吸收利用。
“IsPETase是目前为止唯一一个通过自然演化过程产生的真正意义上的PET降解酶。
然而，IsPETase并不是一个全新的酶种，而是属于一种古老的角质酶，原本的作用是微生物用来分解植物角质的。
”郭瑞庭介绍，古老的角质酶分解PET的活力非常低，但IsPETase却能够很好地分解PET。
郭瑞庭介绍：“通过比对IsPETase与角质酶的蛋白质结构，我们发现角质酶的底物结合区较为狭窄，比较适合作用于形状细长的角质，而不利于作用在构造较为宽大的 PET上。
”为寻找更多具有降解 PET活性的酶，团队发现，IsPETase底物结合区的组成与角质酶是一样的，但IsPETase底物结合区的W185（色氨酸）可以自由摆动。
当PET结合到IsPETase上时，W185会被往下压低一些，如此一来底物结合区的空间就变得较为开阔，也才能够容纳PET。
团队进一步分析W185邻近的区域发现，在所有角质酶中，W185下方有组氨酸与苯丙氨酸这2个侧链较大的氨基酸支撑着，它们就像支架一样固定住了W185使其无法转动。
而在IsPETase中W185下方则是丝氨酸和异亮氨酸，它们的侧链基团较小，固定不住W185，因此W185就能自由摆动，IsPETase的底物结合区也就能够“伸缩自如”了。
这些研究结论表明，微生物在短时间内选择了突变角质酶来分解PET，这可能是产生PET降解酶快速有效的途径，用这些酶，科学家将研发出更多生物可降解塑料。
据《科技日报》 团簇酶可靶向治疗神经炎症 ●陈曦焦德芳 今年初，天津大学医学部张晓东教授团队成功设计出一类全新的人工酶——团簇酶。
团簇酶具有超强催化活性和选择性，对阿尔茨海默病、脑损伤等神经炎症治疗潜力巨大。
酶是生物体内一种重要的催化剂，是由活细胞产生的具有催化作用的有机物。
酶催化能在常温常压下将化学反应速度提高百倍以上，在医学领域对神经学、肿瘤、生物传感等具有巨大应用价值，也被广泛用于农业、食品、化工等各领域。
然而，大部分天然酶制备困难、稳定性差、催化条件苛刻，难以大规模应用。
在实验室中合成人工酶是生物化学家最感兴趣也最具挑战性的课题之
一。
如何设计出具有高催化活性和选择性的人工酶成了全球科学家面临的共同难题。
天津大学团队在国际上首次提出“团簇酶”概念，他们通过单原子调控的方法成功设计出一类具有原子精确结构的人工酶——团簇酶。
实验证明，团簇酶具有高催化活性和选择性，其抗氧化活性是天然水溶性维生素E的160倍，是花青素分子的9倍。
生物学结果显示，使用团簇酶制剂能 有效减轻脑损伤小鼠的神经炎症，显著降低病鼠体内的炎症因子。
特别值得一提的是，团簇酶尺寸超小，能通过肾脏自然滤除，这也意味着使用团簇酶药物可以避免对肝肾等器官的副作用损伤。
“团簇酶在生物医学领域，特别是神经科学与工程领域，具有广阔的应用前景。
”团队负责人张晓东教授表示，“下一步，我们将继续完善团簇酶的可变性，提升其靶向功能，深入挖掘其对阿尔茨海默病、脑损伤等多种重大神经炎症的治疗潜力。
” 据《科技日报》 本版图片据《光明日报》