Ancestors of Arylmalonate Decarboxylase show increased Activity, Stability and Stereoselectivity
通过利用祖先序列重建技术，研究人员工程化改造了芳基丙二酸脱羧酶祖先，使其表现出显著优于现存酶的热稳定性、催化活性和立体选择性，从而克服了手性羧酸生产中的关键局限性。
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在生物学的微观世界中，生命依赖于被称为酶的微小分子机器来加速那些原本会耗费极长时间的化学反应。这些蛋白质是自然的劳模，构建了从我们细胞中的 DNA 到我们服用的药物的一切。然而，当科学家试图在工厂中使用这些天然酶来生产药物或材料时，他们经常面临一个令人沮丧的问题：酶过于脆弱。当温度稍微升高或使用时间过长时，它们就会解体，使得工业过程既昂贵又低效。此外，许多天然酶不够“挑剔”；它们可能会产生两种镜像版本的分子混合物，而其中只有一个版本对人体是安全或有效的。为了解决这个问题，研究人员正转向一种通过向后看时间来向前迈进的方法。通过使用计算机模型来重建古代、已灭绝酶的遗传蓝图，他们可以在实验室中测试这些“祖先”蛋白质。通常，这些古代版本比它们的现代后代更坚韧、更全能，为现代工业提供了全新的、稳健的工具来源。
一个研究小组致力于改进一种被称为芳基丙酮酸脱羧酶（AMDase）的特定酶。这种酶非常珍贵，因为它可以通过从某些分子中剥离二氧化碳基团来创造手性羧酸，而这些物质是非甾体抗炎药（如布洛芬和萘布芬）的重要构建模块。这种酶的天然版本发现于一种名为“布氏嗜肺杆菌”（Bordetella bronchiseptica）的细菌中，它在实验室环境下表现良好，但对于大规模使用而言存在显著缺陷。它很不稳定，在适度温度下仅一个多小时就会失去一半的活性，并且在处理某些类型的原材料时表现挣扎，特别是那些带有小型、庞大基团的原料。它有时也无法生产出所需药物的最纯形式。为了解决这些问题，科学家们并没有尝试对现代酶进行逐个部分的微调。相反，他们构建了该酶历史的家族树，并利用它来预测数百万年前的祖先长什么样。他们合成了十个这些古代祖先的基因，并测试它们是否具备现代版本所缺乏的耐用性和精准度。
结果是令人震惊的。研究人员发现，其中几种古代酶的表现远优于现代酶。其中一个特定的祖先——团队将其命名为 N131——成为了稳定性的冠军。虽然现代酶在加热时会迅速解体，但 N131 在相同的条件下仍能保持活性数百小时。事实上，在 45 摄氏度的温度下，现代酶只能维持大约一个半小时，而 N131 则能存活超过 380 小时。这种寿命的大幅提升意味着 N131 在磨损前可以生产数百倍的产品。团队还发现 N131 执行任务的速度更快，比现代酶更高效地将原材料转化为最终产物。当他们在制备规模上测试这些古代酶（生产一克化学物质）时，N131 仅用了 31 分钟就完成了任务，明显快于现代版本。
为了理解为什么 N131 如此强韧，研究人员对该蛋白质的结构进行了详细的计算机模拟。他们发现，古代酶在其表面获得了一层带负电荷的化学基团，而现代版本则缺乏这一特征。这些基团起到了保护盾的作用，在蛋白质周围维持着一层紧密的水分子层。这种水合壳层防止了酶在加热时发生聚集和解体。这是自然界对现代工程师经常难以解决的问题所给出的方案。除了稳定性之外，古代酶还展示了更高的精准度。一个名为 N31 的祖先，生产出的药物构建模块具有 99.7% 的光学纯度，这意味着几乎每一个创造出来的分子都是正确的镜像版本。这种纯度水平对于制药业至关重要，因为错误的镜像版本可能无效甚至有害。
这项研究还探讨了这些古代酶是否能够处理现代版本拒绝的原材料。现代酶无法处理某些带有乙基的分子，但祖先 N131 可以完全转化它们。研究人员还展示了他们可以通过交换活性位点中的仅两个特定氨基酸，来翻转酶的偏好，使其产生药物分子的相反镜像。这种灵活性表明，古代酶不仅仅是现代版本的加强版，而且更具适应性。通过将过去的自然进化与现代工程相结合，该团队创造了一种更快、更持久且更精确的生物催化剂。这项工作表明，深入探索酶的深层进化历史，可以揭示解决目前限制生命救助药物生产的稳定性与选择性问题的隐藏方案。
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