如何通过设计全新的酶来改变世界

“如果说 DNA 是生命的蓝图，那么酶就是执行指令的劳动者。” 化学生物学家亚当 · 加斯克（Adam Garske）如是说。在这场妙趣横生的演讲和演示中，他展现了科学家如何编辑和设计酶来实现某种功能——帮助治疗如糖尿病等疾病，创造节能洗衣液，甚至吸收温室气体——并现场演示了他的酶实验。

我在威斯康星州中部长大，
曾在户外度过很多时光。

春天，四周满溢着
令人心动的丁香的香气。

夏天，萤火虫的点点亮光

在闷热潮湿的夜里摇曳。

秋天，泥塘里满是
鲜红的蔓越莓。

哪怕冬天都有自己别致的魅力，

松树上装点着圣诞花束。

对于我来说，自然一直是
神奇与灵感的源泉。

当我开始攻读化学研究生，
以及在后来的岁月里，

我从分子层面
对自然有了更深入的了解。

我刚刚所提到的一切，

从丁香和松树的香气

到蔓越莓的鲜红和
萤火虫的亮光，

它们都至少有一个共同之处：

是酶创造了它们。

刚提到我在威斯康星州长大，
我喜欢芝士再自然不过了，

当然还有绿湾包装工
橄榄球队。

但让我们先谈谈芝士。

在过去至少 7000 年里，

人们从牛、绵羊和山羊的胃里

提取出了多种酶的混合物，

并把它们添加到牛奶里，

让牛奶凝固——
这是制作芝士的环节之一。

在这个混合物中起关键作用
的酶叫凝乳酶。

我想给大家展示一下
它的作用原理。

在这里我有两支试管，

我要往其中一支加入凝乳酶，

稍等一会儿。

我儿子安托尼今年 8 岁，

他很热心帮我为这场演讲
准备实验展示环节。

我们在厨房里切菠萝，

从红皮马铃薯提取酶，

在厨房里做了各种实验。

最终，

我们觉得凝乳酶的实验
非常厉害。

在这支试管中，

凝乳酶正在牛奶里畅游，

它在和里面的酪蛋白结合。

然后它把酪蛋白剪开——

就像是一把分子剪刀。

正是这个剪开的动作
促使牛奶凝固。

我们就像这样在厨房里实验。

好了。

让我快速地摇晃一下。

然后把它们放到一边，
反应一会儿。

好了。

如果说 DNA 是生命的蓝图，

那么酶就是执行
DNA 指令的劳动者。

酶是一种蛋白，
也是一种催化剂，

它能加快化学反应速率，

就像这里的凝乳酶
能让牛奶加速凝固。

可这并不仅仅可以
用于芝士的制作。

酶在我们的食品中
也起着关键的作用，

而且在其他情况下，
从婴儿的健康

到克服目前最大的环境挑战，

它同样功不可没。

酶的基本构成单位叫氨基酸。

一共有 20 种常见的氨基酸，

我们通常用单个字母的缩写
来给他们命名，

就像是氨基酸的字母表。

在某种酶中，这些氨基酸
如同项链上的珍珠那样，

被串联在一起。

氨基酸的种类，

也就是项链上的字母，

及其排列、拼写的顺序，

赋予了某种酶独特的属性，
将其与其他酶区分开来。

接着，这些氨基酸，

这个氨基酸项链，

折叠起来形成了更高级别的结构。

如果你放大到分子大小，

看看处于活跃状态的凝乳酶，

你会看见它的样子是这样的。

线状，环形，螺旋，扭曲，旋转，

酶必须在这样的形态下才能起作用。

现在我们可以利用微生物制造酶，

可以是细菌，或酵母菌。

我们通过截取一小段 DNA，

也就是我们感兴趣的酶的代码，

再把它放进微生物中，

让微生物用其自身的功能，
自身的原料，

来为我们制作出酶。

所以现在如果你需要凝乳酶，
再也不需要一头小牛犊了——

大可从微生物中得到。

我认为更棒的是，

我们可以插入完全定制的 DNA 序列

来制作出我们想要的，

非天然存在的任意的酶。

对于我来说通过排列原子

来设计一种酶，带来新的应用，

才是真正有趣的地方。

从自然界中提取一种酶，
然后尝试这些氨基酸的各种组合，

对那些字母进行修修补补，

插入一些，抽走一些，

或许再调整一下序列，

有点像是拿来一本书，

编辑几个章节或者改写它的结局。

在 2018 年，诺贝尔化学奖

就被颁发给了
针对这种方法的开发工作，

叫做“定向进化”。

现在我们可以利用定向进化的力量

任意地设计酶，

其中一个方面
就是把酶的设计应用到新的领域，

比如说洗衣服。

就如大家体内的酶

可以帮助你分解吃过的食物，

在你的洗衣液中的酶

有助于分解衣物上的污渍。

有调查表明，用于洗衣的

90% 的能量

花在了水的加热上。

这是有原因的——

水温更高有助于清洁衣物。

但是如果你可以用冷水
达到同样的效果呢？

那肯定能省下不少钱，

除此之外，

根据宝洁公司的一些研究，

如果美国的所有家庭
都用冷水进行洗涤，

我们每年能减少
32 公吨的二氧化碳排放。

这可不是一个小数目啊，

相当于

630 万量汽车的碳排放量。

那么我们怎样设计酶

来实现这一转变呢？

酶不会自己进化到
拥有清洁脏衣物的能力，

更不要说在冷水中。

但是我们可以求助于自然，
找到着手点。

我们可以找到一种
带有起始活动的酶，

就像可以被加工的一些黏土，

屏幕上显示的正是这样的一种酶。

就如我刚提到的，
我们可以从这些氨基酸入手，

插入一些，抽走一些，

重新安排序列。

通过这些操作，
我们可以制造成千上万种酶。

我们可以拿出这些酶，

在这样的小碟子上进行测试。

我手上拿着的这只盒子

上面有 96 个槽，

每个槽里面有一块
沾有污渍的布料。

我们可以测量每一种酶

对于去除布料上污渍的效果，

那样就可以知道它们是否有效。

我们可以借助机器人
来实现这一操作，

待会儿大家可以在屏幕上看到。

那么，我们做了这个实验，

结果一些酶落在

起始酶的候选范围中。

这并没什么值得大书特书的。

一些表现很差，
于是被我们淘汰了。

一些表现得还不错。

那些经改良的酶
成为了我们的 1.0 版本。

它们是我们想要继续研究的酶，

我们可以一遍又一遍地
重复这个过程。

这些循环让我们
制造出了一种新的酶，

可以帮助我们实现目标的酶。

在多次循环之后，

我们制造出了一种新的东西。

现在你可以到超市里
买到这种洗衣液，

里面就有这样的酶，
能在冷水中清洁衣物。

接着我想给大家展示其中的原理。

我有两支试管，

里面还是牛奶。

看好了，

我要往其中一支加入这种酶，

往另外一支加一些水。

作为控制组，

应该不会有任何的变化。

你也许会好奇为什么
我用牛奶来做实验。

我这么做的原因

是因为牛奶里有大量的蛋白质，

在蛋白质溶液里
更容易观察到酶的作用，

因为它是一种厉害的蛋白质剪刀手，

天职所在。

我现在放它进去了。

就如我刚说的，
这是一把厉害的蛋白质剪刀手，

现在你可以推想一下
它跟牛奶会发生什么反应，

它跟你的脏衣服
就有可能产生什么反应。

我们在将这个过程可视化。

好了，现在两个试管准备好了。

我再来快速摇晃一下。

现在把这两个试管跟凝乳酶
样本放到一边。

临近尾声的时候我再谈谈它们。

那么酶设计的前景如何呢？

可以肯定的是，
它的发展会越来越快——

现在有各种促使酶进化的手段，

能让研究员研究更多的样本

比我刚展示的多得多。

除了我们刚刚谈到的，

对自然界的酶进行修修补补之外，

一些科学家正着手利用机器学习——

一种人工智能的方法——
从零开始设计酶，

并了解酶设计的进展。

其他人则是添加
一些非天然的氨基酸。

我们刚谈到 20 种天然的氨基酸，

常见的氨基酸——

有些科学家通过添加
非天然的氨基酸

来制造出拥有跟自然界被发现的酶
不一样属性的酶。

那是个相当高明的领域。

那么人工设计的酶
在未来对你有什么影响呢？

我想重点谈谈两个方面：

人类健康以及环境。

一些医药公司

已经有专门设计酶的团队，

用更少的有毒催化剂
来更高效地生产药物。

举个例子，西他列汀

是一种用来治疗
二型糖尿病的药物，

它的一部分成分是酶。

含有酶的药物数量
在未来肯定会有所增长。

另一方面，

对于某些失调性的疾病，

单一酶在病人体内不能正常工作。

其中一个例子是苯丙酮尿症，

或者简称 PKU。

苯丙酮尿症病人不能正常地
代谢或消化苯丙氨酸，

那是我们刚刚提到的
20 种常见氨基酸的一种。

苯丙酮尿症病人
无法消化苯丙氨酸的后果是，

他们会患有永久的智力残疾，

那是非常可怕的疾病。

在座为人父母的观众——

在座的有孩子吗？

有很多啊。

你们也许对 PKU 挺熟悉的，

因为在美国，所有婴儿
都被要求进行 PKU 检测。

我记得我儿子安托尼接受检测的时候，
脚后跟被扎了一下。

这后面最大的挑战是：
你能吃什么？

很多食物都含有苯丙氨酸，
几乎避无可避。

安托尼对坚果过敏，
我已经觉得够受的了，

但是 PKU 的严重度
可是另一个级别的。

然而新的酶可能很快
能让苯丙酮尿症病人

敞开怀抱去吃东西。

最近，美国药物总局刚批准了
被设计用来治疗 PKU 的酶。

对病人来说是特大喜讯，

对酶替代疗法的领域

同样是特大喜讯，

因为对于其他目标病症来说，
这也可能是个好的方法。

有关健康的话题就到这里。

接下来我想谈谈环境。

当我了解到大太平洋垃圾带的时候——

顺便解释一下，
那就像是一个塑料巨岛，

就在加州和夏威夷之间某个地方——

微塑料几乎无处不在，

实在令人不安。

塑料可不会很快就消失掉。

但是酶可能在这个领域帮到我们。

最近，人们发现了
由细菌产生的塑料降解酶，

并已经在努力设计

和改良这些酶。

与此同时，人们还发现

并优化了

不以石油为原料的可生物降解塑料。

酶也可能有助于吸收温室气体，

比如说二氧化碳、
甲烷和一氧化二氮。

毫无疑问，这些是我们
面临的主要挑战，

且都很困难。

但是我们运用酶的能力
可能有助于在未来克服这些挑战，

我认为这是值得期待
的另一个领域。

现在我要回到演示部分——

见证奇迹的时刻到了。

我们先从凝乳酶样本开始吧。

让我把它们拿过来。

你可以看到，

这是加了水的，

牛奶不应该有任何变化。

这是加了凝乳酶的。

你可以看到上面的部分变清了。

下面凝固的部分，就是芝士。

我们刚在短短几分钟内制作出了芝士。

这就是

我们做了几千年的事情。

我打算在我们下一个
《带孩子上班日》中做这个实验，

但那可能会是一批挑剔
的观众，走着瞧吧。

（笑声）

另外一组结果在这里。

这是帮你清洁衣物的酶。

你可以看到跟加了水的那个不一样。

它变得有点清了，

这就是你洗衣服的时候想要的效果，

因为你需要一种酶，

能够像一头蛋白质猎犬那样
把蛋白质咬碎，

因为衣服上有不同的蛋白质污渍，

比如说巧克力牛奶或草污渍，

这种酶能帮你干掉这些污渍。

它也能让你

在冷水中洗净衣物，减少碳足迹，

还能帮你省钱。

这一切来之不易，

想想从 7000 年
传统的芝士制作到

今天的酶设计。

我们此刻正站在创造的十字路口，

有了酶，我们可以编辑
自然已经写下的篇章，

或者用氨基酸
来谱写我们自己的故事。

那么下次你在闷热潮湿的夜里
外出的时候，

当你看到一只萤火虫，

我希望你能想起酶。

它们在今天为我们做出了
很多突出的贡献。

通过设计，

在未来它们会变得威力无穷。

谢谢大家。

（掌声）