【化工科普15】人工酶技术，打造生命发动机
在介绍洗涤剂的文章中，我们曾提到人们利用酶对于蛋白质的分解作用，专门开发了加酶洗衣液，并针对不同污渍有针对性的添加蛋白酶、脂肪酶、淀粉酶等，那为什么不同的酶对于各类污渍有如此奇效呢？
今天的科普主人公便是生命的发动机——酶，一种具有生物催化功能的高分子物质。
高效而又专一的生物催化剂
在此之前，我们介绍过催化剂在化学反应中的必要作用，有了纳米二氧化钛，便可以高效净化空气污水......同样，酶就是我们体内千千万万个细胞新陈代谢的催化剂，只有酶存在，人体内才能进行各项化学反应，包括但不限于消化食物与呼吸。
生物催化剂的强大之处在于，可以保证相关化学反应在极为温和的条件下也能高效进行，催化反应的速率往往可以提升几千倍到上亿倍。比如食物中的葡萄糖要释放能量，变成水和二氧化碳，这一过程在没有催化剂的常温常压下需要几年的时间，或者在300°以上的高温燃烧氧化才能释放能量，而在我们的体内，在葡萄糖氧化酶的作用下，这一过程正在悄然发生。
可以说，人体内酶越多，越完整，生命就越健康。人类的疾病，大多数与酶缺乏或合成障碍有关。
更重要的是酶催化具有高度的专一性，一种酶只催化一种物质发生一种反应，即使结构非常相似的物质也不会反应。这种稳定发生和指向明确的催化效果，在化工、制药等行业受到了人们广泛的欢迎。
人们期待用酶催化反应来替代那些复杂多步的化学反应过程，达到缩短工艺流程、降低生产成本、节省试剂使用的目的，但随着更加精细化的需求，原本自然界中的天然酶，催化还是太慢，对于温度过于敏感，很难在工业生产中大规模应用。
合成人工酶
酶的催化作用有赖于酶分子的折叠三维空间结构，人们通过定向进化技术和人工酶设计技术来提升酶的催化性能。
定向进化技术是指通过大量的随机突变和重组，模拟自然界中酶的进化过程，再从众多结果中筛选出符合人们要求的酶，简单来说就是根据一些原理依据进行穷举。2018年，加州理工大学弗朗西斯·阿诺德教授获得了诺贝尔化学奖，以表彰她在酶的定向进化方面的贡献。
人工酶设计是基于已解析的蛋白质晶体结构和一定的酶催化机理，在计算机上建立酶和底物的催化模型，充分利用计算机强大的计算能力，快速进行大量突变体的筛选过程。这种方法相比于定向进化，能够大大缩短新酶的开发周期。迄今为止人类已经发现了5000多种酶。
人工酶的应用
在相关应用上，人工酶已经在发挥着作用。
我们日常使用的抗生素头孢拉定，如果按传统化学法生产，每合成1kg产品会产生将近30kg的含毒废弃物。而如果使用人工酶催化，改变了天然酶中的氨基酸类型后，提高了合成速率，基本不会产生副产物，可以避免使用有机溶剂及有毒试剂。
而当纳米技术与人工酶技术相结合时，可以开发出在纳米尺度上，表现出酶催化特性的物质。纳米酶由中国团队在2007年发现并随后提出，如今全球已经有超过50种不同纳米酶相继被发现，运用在生物、医学、农业、环境治理与国防安全等多个领域。
随着计算机科技、人工智能科技、生物科技的发展，人们逐渐探查生命的奥秘，甚至有人将生命解释为一种更精密的机械设计。
酶的强大催化能力在于复杂的蛋白质三维结构，而如果有一天人们可以完全搞懂蛋白质的序列，进而重新编写DNA，是不是可以洞察“造物主”的奥秘，用数学法则指导生命的创造？
科技，便是人们认识自己的一把钥匙。
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