诺奖得主Science发文：利用人工选择原理设计酶和其他蛋白质

科学家们首次设计了一种酶，可以打破硅和碳之间顽固的人造键，这种键存在于广泛使用的化学物质硅氧烷或有机硅中。这一发现是使这种可以在环境中残留的化学物质可生物降解的第一步。

领导这一研究的是加州理工学院化学工程、生物工程和生物化学Frances Arnold教授，她与另外两位科学家荣获了2018年诺贝尔化学奖，获奖理由是酶的定向进化。她说:“大自然是一位神奇的化学家，现在的技能包括打破以前被认为可以逃避生物体攻击的硅氧烷的键。

Arnold在定向进化方面的开创性工作，是一种利用人工选择原理设计酶和其他蛋白质的方法。在最新研究中，Arnold等人利用定向进化创造了新的硅碳键裂解酶。研究结果发表在1月26日的《科学》杂志上。

研究人员说，虽然他们的工程酶的实际应用可能还需要十年或更长时间，但它的发展开启了硅氧烷有一天可能被生物降解的可能性。阿诺德说:“例如，自然生物可以在富含硅氧烷的环境中进化，以催化类似的反应，或者进一步改进实验室进化的酶，如这种酶，可能用于处理废水中的硅氧烷污染物。”

大自然不使用硅碳键，“但我们使用了，而且已经使用了大约80年。其中一些化合物的挥发性需要进行健康和环境研究，以正确了解这些材料在环境中的降解机制。”

硅氧烷化学物质可以在无数产品中找到，包括用于家庭清洁，个人护理，汽车，建筑，电子和航空航天工业的产品。这些化合物的化学主链是由硅氧键构成的，而含碳基团，通常是甲基，则与硅原子相连。“硅氧主链使聚合物具有无机性质，而硅甲基使聚合物具有有机性质。因此，这些聚合物具有独特的材料特性，如高热稳定性和氧化稳定性、低表面张力和高骨干柔韧性等。”

据信，硅氧烷可以在环境中持续存在数天至数月，因此，正在进行的研究旨在对硅氧烷材料的健康和环境安全性提供更科学的认识。这些化学物质自然地开始分裂成更小的碎片，特别是在土壤或水生环境中，这些碎片变得易挥发或逃逸到空气中，在那里它们通过与大气中的自由基反应而降解。在硅氧烷的所有化学键中，硅碳键是分解最慢的。

2016年，Arnold和她的同事利用定向进化技术设计了一种名为细胞色素c的细菌蛋白质，以形成硅碳键，这一过程在自然界中是不会发生的。Arnold在加州理工学院的新闻发布会上说:“我们决定让大自然做只有化学家才能做的事情——而且做得更好。”研究表明，生物学可以以比化学家传统使用的更环保的方式制造这些键。

在这项新研究中，研究人员希望找到打破而不是创造这种联系的方法。科学家们利用定向进化进化出一种叫做细胞色素P450的细菌酶。定向进化与培育狗或马的过程类似，目的是为了获得所需的性状。研究人员首先在他们收集的酶中发现了细胞色素P450的一种变体，这种变体在所谓的线性和环状挥发性甲基硅氧烷(硅氧烷家族的一个常见亚群)中具有非常弱的破坏硅碳键的能力。

他们使细胞色素P450的DNA发生突变，并测试了这种新的变异酶。然后，表现最好的基因再次突变，并重复测试，直到酶足够活跃，使研究人员能够识别反应的产物，并研究酶的工作机制。

“进化酶来破坏硅氧烷中的这些键存在独特的障碍。有了定向进化，我们必须同时评估数百种新酶，以确定一些具有改进活性的酶变体，”其中一个挑战涉及硅氧烷分子从用于筛选变体的96孔板中浸出塑料成分。为了解决这个问题，研究小组用普通的实验室用品制作了新的盘子。

Arnold说:“另一个挑战是找到定向进化过程的起始酶，这种酶甚至只有一点点所需的活性。”“我们在我们独特的细胞色素p450系列中发现了它，这些细胞色素p450是在实验室中进化出来的，用于其他类型的新自然硅化学。”

最终改进的酶不直接切割硅碳键，而是通过两个连续的步骤氧化硅氧烷中的甲基。基本上，这意味着两个碳氢键被碳氧键取代，这种变化使得硅碳键更容易断裂。

文章一作Tyler Fulton解释说，这项研究与涉及塑料食用酶的研究有相似之处，他指的是2016年另一组研究人员在Ideonella sakaiensis细菌中发现的聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)降解酶。“虽然pet降解酶是由大自然而不是工程师发现的，但这种酶激发了其他创新，最终在塑料降解方面取得了成果。”我们希望这一演示同样会激发进一步的工作，帮助分解硅氧烷化合物，”他说。