科學(xué)研究：冷適應(yīng)酶可以在室溫下轉(zhuǎn)化

（圖片來源：CC0 Public Domain）

嗜冷生物生活在低溫環(huán)境中（接近水的冰點(diǎn)），其產(chǎn)生的酶表現(xiàn)出非常獨(dú)特的性質(zhì)。在《自然-通訊》（Nature Communications）所發(fā)表的一項(xiàng)新研究中，烏普薩拉大學(xué)的科學(xué)家利用大規(guī)模計(jì)算來解釋許多冷適應(yīng)酶在室溫左右失效的原因。

酶是維持所有活細(xì)胞新陳代謝的“機(jī)器”，但不幸的是，低溫下，生化反應(yīng)通常難以進(jìn)行。進(jìn)化已經(jīng)解決了這個(gè)問題，在內(nèi)部細(xì)胞溫度與外部寒冷環(huán)境相同的物種中形成了冷適應(yīng)酶。從細(xì)菌、某些植物到冷血脊椎動(dòng)物，無數(shù)生物具有這種特性，比如生活在寒水中的魚。這些冷適應(yīng)酶具有特殊的熱力學(xué)性質(zhì)，從而能在極冷條件下發(fā)揮作用。顯然，它們的熔化溫度也比普通酶低，但探討它們的熔點(diǎn)是否在40攝氏度左右沒太大意義，因?yàn)樗鼈冇肋h(yuǎn)不需要在如此溫暖的環(huán)境中發(fā)揮作用。

然而，一個(gè)尚未解開的謎團(tuán)是為什么許多冷適應(yīng)酶甚至在室溫下，即遠(yuǎn)未到熔點(diǎn)時(shí)就失效。近期，研究人員查卡·索坎（Jaka Socan）、米哈·帕格（Miha Purg）和約翰·阿克維斯特（Johan??qvist）首次通過大量計(jì)算機(jī)模擬成功解開謎團(tuán)。

科學(xué)家模擬了一種來自南極細(xì)菌的淀粉降解酶在不同溫度下的化學(xué)反應(yīng)，并將其與一頭普通溫血豬的淀粉降解酶計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較。事實(shí)證明，即使在室溫下，南極酶也開始局部分解，這一缺陷大大降低了淀粉分子對酶的粘附程度。該現(xiàn)象在低于熔點(diǎn)15攝氏度時(shí)發(fā)生，分解速率逐漸增加直到25攝氏度時(shí)達(dá)到最大。另一方面，豬身上酶降解淀粉的速度隨溫度上升持續(xù)增加，直至最終大約60攝氏度時(shí)失活。 因此通過計(jì)算機(jī)運(yùn)算，可以確認(rèn)冷適應(yīng)酶的哪些部分能引起其特殊性質(zhì)。

烏普薩拉大學(xué)細(xì)胞與分子生物學(xué)理論化學(xué)教授約翰·阿克維斯特表示：“新的結(jié)果和先前對各種冷適應(yīng)酶及其突變體的計(jì)算機(jī)模擬結(jié)果都表明，目前我們已經(jīng)達(dá)到了一個(gè)階段，以可預(yù)測的方式合理地重新設(shè)計(jì)酶并改變其性質(zhì)。長期以來，這種手段一直是研究的目標(biāo)，但截至目前，它還無法與酶分子定向進(jìn)化方法相抗衡。弗朗西斯·阿諾德（Frances Arnold）就酶分子定向進(jìn)化技術(shù)于2018年獲得諾貝爾獎(jiǎng)?！?/p>

翻譯：李雅婷

審校：董子晨曦

引進(jìn)來源：烏普薩拉大學(xué)

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