酶可以人工创造吗？有哪些难点？

乔帮主

既然酶是反应的催化物，可以根据反应的底物创造相应的酶么？
如果可以的话，是怎么创造的？
如果不能，有什么难点呢？
原文地址：https://www.zhihu.com/question/28827931

卡卡

就目前的研究状况而言酶是可以人工设计出来的，当然也取决于你对于创造二字怎么理解。
在蛋白质工程研究领域有一个方向叫做蛋白质的从头设计（de novo design），好奇的话可以搜一下David Baker（楼下 @蓝色的耳朵 就提到了他，附图也是下面的一篇文章中的），他们从世纪初到现在已经设计了很多的新型蛋白质结构，其中也包括不少催化某些化学反应的酶（我记得有催化retro diels alder反应的酶，这些酶都是天然不存在的，通过合理的设计及计算机辅助计算得到的），当然他们只是设计蛋白质的序列并没有通过化学的方法去以氨基酸为原料去从头合成蛋白质，不过这也总算人工创造的一种，因为设计和合成了（确切说是表达）自然界不存在的酶。




2010年一篇文章描述了一种新设计的催化双分子Diels-Alder反应的酶。[1]



新设计的酶的反应动力学数据。[1]



2008年的一篇文章描述了一种催化Retro-Aldol反应的酶的设计合成过程。[2]



新设计的酶的反应动力学数据。[2]

另外有个答主说酶不能被人工合成（化学合成），可能是忘记了蛋白质的空间结构由它的一级序列决定了，而且芝加哥大学的Kent老先生早在上世纪九十年代就成功地合成过HIV protease而且还包括D型，两种构型活性差不多，和天然的也没啥显著差别，至于说活性上有差别主要的原因还是合成不能保证百分百的纯度而且可能还有一些手性异构的问题导致得到的产物并不纯，另外近年来清华的Lei Liu和Ting Zhu两位教授在研究D型生命的道路上做了不少工作，其中就包含了DNA聚合酶的化学全合成，其他还有几个组及公司也合成了D型DNA聚合酶并且得到了相对较好的活性，最近D型转录酶也被合成了，难不成这些结果都不存在么。



2007年Kent等人合成的HIV-1 Protease的酶动力学测试结果显示和其他蛋白酶类似的活性。[3]



2017年结果：细胞表达的某种耐高温DNA聚合酶和化学合成的DNA聚合酶在PCR中具有高度相似活力。[4]

[1] Siegel et al. Science (2010), 329, 309.
[2] Jiang et al. Science (2008), 319, 1391.
[3] Johnson et al. J. AM. CHEM. SOC. (2007), 129, 11480-11490
[4] Xu et al. Cell Discovery (2017) 3, 17008; doi:10.1038/celldisc.2017.8

卡卡

可以创造，叫新酶设计，比较新的方向，也算合成生物学方向。难度也比较大，主要酶从序列到功能，中间有个结构。现在已知的酶结构还比较少。更多合成生物学前沿资讯请关注微信公众号“中国合成生物学”（SBexpress）。

感恩由您

从反应的底物来创造酶的难度还是很大的。首先根据反应底物的化学分析，你只能够大概知道你所需要的酶的反应活性结构应该是怎么样的，也就是和你反应底物结合的部位。但是酶其实是一个很大分子它比你的反应底物大很多倍，有很复杂的三维结构，这些结构的细节如何设计你是无从知道的。在这里引用一张西雅图华盛顿大学的David Baker的反应图解释：


你知道需要包裹你的反应的物的那部分也就是曲线部分应该怎么设计，但是如果要设计构建起他部分酶的分子结构是很难实现的。其主要原因就是自然界的酶都是由各种氨基酸组合而成的，一般情况下这些氨基酸分子在被链接起来合成肽键以后会自动堆叠成稳定的结构，其中需要考虑上千个分子之间的相互作用力这个是现在没有办法通过计算和预测的。
另外一个困难就是，迄今为止唯一能够有效的合成一条特定顺序的氨基酸链的唯一方法恐怕就是DNA。 比如说给你（C，E，H，I，M，R，S，T，Y）这几个分子，没有化学反应可以一步做到生成一条CHEMISTRY的链状结构。既然这样的话你设计了酶还是要找合适的DNA来合成 也就没有意义了。
但是并不是完全没有解决方法，David Baker的工作就是通过了解自然界中已经存在的酶有用的结构，然后提取重新组装后生成新的酶。这就好比在自然界中有一辆自行车，你把它拆了然后弄点别的简单的零件做成了一个轮椅（怎么有点像赵本山的小品。。。）
总而言之，如果从分子开始直接设计合成一个酶很难，因为没有办法设计每一个细节。就像直接通过3D打印技术做飞机一样。但是现在已经开始尝试做一些组装吧。
其实话说回来，化学存在的意义其实很多时候就是绕过哪些复杂的酶的结构，通过更加简单的方法和理论来实现那些酶催化的反应。大道至简其实也不错啊。
答题的时候借鉴了一些Alexis Voinov 和Yang Eninala的思路表示感谢

长长的路

酶的最重要特性就是要有催化活性，所以最重要的是催化的原理是什么。通常蛋白酶都是立体结构依赖的情况，所以合成的重点就是空间结构的准确度。从氨基酸序列上来说，直接合成的线性结构很难达到，所以还是要以转录相关基因，让宿主表达具有这个结构的蛋白酶，如大肠杆菌等。化学合成的另一大难点是纯化，想要达到细胞培养级别的话，根据反应过程的复杂性来决定纯化的难度。

检验医师

酶是可以化学合成的，但是化学合成的酶一般没有活性或者活性比较低。酶的活性中心一般是复杂的空间结构，难以通过化学合成的办法达到。在生物体中，酶的合成也是一个复杂的过程，但是可以认为调控。所以要根据底物来创造酶，必须通过某种微生物作为媒介来生产，才有可能成功。