科学家们现在知道这些转化是由酶驱动的，酶是由氨基酸链组成的蛋白质分子，它的作用是加速或催化一种分子(底物)到另一种(产物)的转化。在这样做的过程中，它们使消化和发酵等反应——以及发生在我们每个细胞中的所有化学事件——得以发生，如果不加以处理，这些反应将会发生得异常缓慢。

斯坦福大学生物工程和遗传学助理教授波莉·福代斯(polly Fordyce)说:“在酶的帮助下，一种化学反应可以在几秒钟内发生，其发生时间可能比宇宙本身的生命周期还要长。”

虽然现在对酶已经有了很多了解，包括它们的结构和它们用来促进反应的化学基团，但关于它们的形式如何与它们的功能相连接，以及它们如何以如此惊人的速度和特异性实现生化魔法的细节，仍然没有很好地理解。

福特斯和她在斯坦福大学的同事开发的一项新技术可能有助于改变这一状况，这项技术本周发表在《科学》(Science)杂志上。这项技术被称为HT-MEK，是高通量微流控酶动力学的缩写，它可以同时进行数千项酶实验，从而将多年的工作压缩到几周内。斯坦福大学医学院生物化学教授、该研究的共同负责人丹·赫施拉格说:“我们做足够实验的能力有限，这阻止了我们真正解剖和理解酶。”

通过允许科学家深入探索酶的小“活性位点”之外的底物结合发生的地方，HT-MEK可以揭示一些线索，了解即使是酶的最遥远的部分是如何一起工作来实现它们非凡的反应性的。

Fordyce说:“这就像我们现在拿着一个手电筒，不是只照射活性部位，而是照射整个酶。”“当我们这么做的时候，我们看到了很多我们没有预料到的事情。”

酶的技巧

HT-MEK的设计是为了取代纯化酶的艰苦过程。传统上，纯化酶的过程涉及改造细菌，使其产生一种特殊的酶，在大烧杯中培养它们，将微生物打开，然后从所有其他不需要的细胞成分中分离出感兴趣的酶。为了弄清酶是如何工作的，科学家们在其DNA蓝图中故意引入错误，然后分析这些突变如何影响催化作用。

然而，这个过程既昂贵又耗时，所以就像观众在魔术师表演魔术时全神贯注地盯着魔术师的手一样，研究人员大多将他们的科学研究局限于酶的活性部位。“我们对酶中发生化学反应的部分了解很多，因为人们在那里进行了突变，看看会发生什么。但这花了几十年的时间。

但任何魔术鉴定家都知道，成功的魔术秘诀不仅在于魔术师手指的动作，还可能包括手臂或躯干的灵巧定位、误导观众的啪哒声或发生在舞台下、观众看不见的离散动作。HT-MEK使科学家们可以很容易地将他们的目光转移到酶活性部位以外的部分，并探索如何，例如，改变酶表面的形状可能会影响其内部的工作。

“我们最终想要自己做酶的把戏，”Fordyce说。“但第一步是，在我们学会如何做之前，先弄清楚如何做。”

在芯片上进行酶实验

HT-MEK结合了两种现有技术，可以快速加快酶分析速度。第一种是微流体技术，它涉及到对聚合物芯片进行模塑，以创建精确操纵流体的微观通道。“微流体缩小了进行这些流体实验的物理空间，就像集成电路减少了计算所需的空间一样，”Fordyce说。“在酶学方面，我们仍然在这些巨大的升大小的烧瓶中进行研究。每件事的量都很大，我们不能同时做很多事情。”

第二种是无细胞蛋白质合成技术，这种技术只需要生产蛋白质所需的那些关键生物机械部件，并将它们组合成一种浓稠的提取物，可以用于合成酶，而不需要活细胞充当孵化器。

Fordyce解释说:“我们已经实现了自动化，这样我们就可以用打印机将我们想要的酶的合成DNA编码的微观点沉积到载玻片上，然后在这些点上排列充满蛋白质启动剂混合物的纳米升大小的腔室。”

因为每个小室只包含百万分之一升的材料，科学家们可以在一个设备中设计一种酶的数千种变体，并并行研究它们。通过调整每个腔室的DNA指令，他们可以修改组成酶的氨基酸分子链。通过这种方式，就有可能系统地研究酶的不同修饰如何影响其折叠、催化能力以及结合小分子和其他蛋白质的能力。

当研究小组将他们的技术应用到一种被称为paa的酶上时，他们发现活性位点以外的突变影响了它催化化学反应的能力——事实上，构成这种酶的大多数氨基酸或“残基”都有影响。

科学家们还发现，数量惊人的突变导致paa错误折叠成一种无法进行催化的替代状态。“生物化学家几十年来就知道会发生错误折叠，但很难识别这些案例，更难以定量估计这些错误折叠的数量，”该研究的共同第一作者克雷格·马尔金(Craig Markin)说，他是福代斯和赫施拉格实验室的研究科学家。

“这是成千上万种酶中的一种，”赫施拉格强调说。“我们希望有更多的发现和更多的惊喜。”

加速发展

研究人员说，如果被广泛采用，HT-MEK不仅可以提高我们对酶功能的基本认识，而且还可以催化医药和工业的进步。“我们现在使用的许多工业化学品对环境有害，而且不可持续。但是酶在我们所拥有的对环境最无害的物质——水中工作最有效，”该研究的共同第一作者丹尼尔·莫赫塔里(Daniel Mokhtari)说，他是赫施拉格和福特实验室的斯坦福研究生。

HT-MEK还可以加速一种称为变构靶向的药物开发方法，该方法旨在通过靶向酶活性位点以外的部位来增加药物的特异性。由于酶在生物过程中发挥的关键作用，它是常用的药物靶点。但有些被认为是“不可用药”的，因为它们属于相关酶家族，具有相同或非常相似的活性位点，靶向它们可能会导致副作用。变构靶向背后的想法是创造一种药物，它可以结合酶的某些部分，比如它们的表面，但仍然控制催化的某些方面。“有了paa，我们看到了表面和活性位点之间的功能连接，这给了我们希望，其他酶也会有类似的目标，”Markin说。“如果我们能确定变构靶点在哪里，那么我们就能开始为它们设计药物这一更困难的工作。”

HT-MEK预计将产生的大量数据也将对计算方法和机器学习算法大有裨益，比如谷歌(google)资助的AlphaFold项目，该项目旨在仅从酶的氨基酸序列推导出其复杂的3D形状。Mokhtari说:“如果机器学习有任何机会准确预测酶的功能，它将需要HT-MEK提供的那种数据来训练。”

再往后，HT-MEK甚至可能让科学家们对酶进行逆向工程，并设计出自己的定制品种。“塑料就是一个很好的例子，”Fordyce说。“我们很想发明一种酶，可以把塑料降解成无毒无害的碎片。如果一种酶唯一重要的部分是它的活性位点，这是真的，那么我们就能做到，而且已经做得更多了。很多人都尝试过，但都失败了。人们认为，我们不能成功的一个原因是，酶的其余部分对使活性位点处于正确的形状和以正确的方式摆动非常重要。”

赫施拉格希望HT-MEK能迅速在科学家中得到应用。他说:“如果你是一名试图了解一种新酶的酶学家，你有机会在六个月内观察5到10个突变，或者在同一时期内观察你的酶的100到1000个突变，你会选择哪一个?”“对于整个社区来说，这是一种有可能取代传统方法的工具。”

Journal Reference:

C. J. Markin, D. A. Mokhtari, F. Sunden, M. J. Appel, E. Akiva, S. A. Longwell, C. Sabatti, D. Herschlag, p. M. Fordyce. Revealing enzyme functional architecture via high-throughput microfluidic enzyme kinetics. Science, 2021; 373 (6553): eabf8761 DOI: 10.1126/science.abf8761