没想到同位素对酶活性，生物特性有这么大影响？！超轻超快酶可能影响多个领域

构成生物大分子的4种主要元素——碳、氢、氮和氧在自然界都有同位素，生物体在生长呼吸和合成生物大分子的过程中，也会吸收这些同位素。这也常应用于鉴定有机物的年代。掺入生物大分子中同位素对大分子本身的特性会有什么影响？传统上，科学家认为生化反应中的同位素效应或多或少与同位素之间的质量差成正比。例如，正常酶和超轻酶(耗竭重同位素¹³C、²H、¹⁵N和¹⁸O的分子)之间0.5%的质量差应该产生不超过1%的动力学效应。然而，研究表明，根据温度的不同，这种影响可能达到250-300%，比预期高出两个数量级。

分子动力学模拟在成千上万的科学出版物中广泛使用，一直忽略了同位素组成。研究人员现在必须重新校准他们的结果，考虑到同位素的潜在影响。“同位素纯化合物，如酶，与传统化合物相比具有优越的性能。这不仅影响化学和生物化学，还影响生物学，可能还影响医学”，MBB罗曼·祖巴雷夫小组的教授和研究小组组长Roman Zubarev说。

根据Roman的说法，几个科学技术领域会立即受到影响。

“首先，正如我们在这项工作中所做的那样，通过在同位素耗尽的培养基中生长的大肠杆菌中表达，可以立即产生超轻酶。这些酶的工作速度比同样的大肠杆菌在正常培养基中表达的相应酶快2-3倍。第二，超轻效应在生物学上的应用——人们可以培育超轻生物并研究它们的偏差特性。例如，我们在超轻的大肠杆菌上培养秀丽隐杆线虫，发现它们生长得更快，但也衰老和死亡得更快。第三，同位素分离领域对重同位素耗竭的需求将大幅增加。可能需要开发包括色谱法在内的新方法来满足这一需求，并降低超轻化合物的成本。最后，分析蛋白质稳定同位素的技术，如我们的傅立叶变换同位素比质谱法，将得到更大的兴趣。”

 他们的文章“超轻超快酶”发表在《Angewandte Chemie 》上。

摘要

已知缺乏重稳定同位素的无机材料在某些物理化学性质上与它们的同位素天然对应物有很大的偏差。本研究首次探讨了重碳、氢、氧和氮同位素同时耗竭对大肠杆菌及其表达的酶的影响。细菌的生长速度更快，大多数蛋白质表现出更高的热稳定性，而重组酶在耗尽培养基中表达的动力学速度更快。在室温下，荧光素酶、硫氧还蛋白、二氢叶酸还原酶和Pfu DNA聚合酶的活性比天然对应物提高了250%，在10℃下又增加了50%。构象和振动熵的减少被认为是加速动力学的原因。超轻酶可能会在需要极端反应速率的地方找到应用。