生物催化已经存在很长时间了。事实上,这可能是人类在9000多年前进行的第一种多步骤化学反应。但考虑到这种特殊反应的产物是啤酒,这并不令人惊讶。无论是白大褂还是长毛象皮,科学家都不会改变。真正改变的是制药行业使用生物催化的方式。

啤酒和牛仔牛仔裤

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生物催化为世界带来了啤酒(通过发酵)和破旧的牛仔布(多亏了纤维素酶选择性地修改织物表面以使染料松弛)

尽管发酵技术在过去曾被用于关键的药物开发,比如1941年青霉素的生产,但在20世纪的大部分时间里,制药行业青睐过渡金属催化剂以及发现这些催化剂的有利可图的采矿。直到最近20年左右,合成实验室才开始使用“b”这个词。你知道为什么花了这么长时间。天然酶在工业条件下往往不稳定,它们的产量经常很低,而且它们的数量很少。但技术很快就赶上来了。由于基因工程和酶进化的惊人进步,曾经勇敢的化学催化剂世界的弱者现在是新的和改进的,并在这里停留。因此,没过多久,生物催化技术就受到了整个制药行业的热烈欢迎,甚至进入了洗涤剂和服装加工领域。想要穿出fonzie风格的旧牛仔裤?既然纤维素酶被用于牛仔布的处理,生物催化就能满足你的要求。

所以现在像脂肪酶,蛋白酶,酯酶这样的酶是关键反应的最佳催化剂。但这仅仅是个开始。随着行业专业人士对其他酶越来越熟悉,资金开始流向投资。现在是投资生物催化行业的最佳时机。

以下是生物催化如此流行的三种方式:

医学正在改变——这一次,是针对个人的

2000年,美国总统比尔·克林顿在白宫发表演讲,宣布完成了人类基因组的第一个“粗略草案”。由于人类基因组计划的巨大努力,全世界都在疯狂地寻找从生命本身的密码中可以闪烁出什么医学奇迹,总统的演讲也同样热情:“基因组科学将对我们所有人的生活产生真正的影响,甚至对我们孩子的生活产生更大的影响。”它将彻底改变人类大多数疾病的诊断、预防和治疗,如果不是所有的话。”

但是,尽管克林顿的演讲令人振奋,但它是在软盘和超级男孩组合的时代发表的。所有领域都需要取得进展。然而,现在这些进步已经以更强大的计算能力、更多的研究数据和可穿戴技术的形式到来,个性化医疗的曙光似乎就在眼前。生物催化可以帮助我们实现这一目标。

不久的将来,我们可能都生活在一个没有“一刀切”医疗保健方法的世界里

不幸的是,由于我们基因组成的差异,有些人倾向于以不同的方式代谢药物,降低药物的疗效或导致有毒代谢物在体内积聚。另一方面,有些人的药物代谢太快,他们的药物根本没有机会起作用。出生的这些悲惨后果有一个名字:副作用。但随着个性化药物的出现,副作用有一天可能会像小儿麻痹症一样消失。利用生物酶将药物分解成代谢物,公司如Zymtronix这是一家从美国康奈尔大学分离出来的生物催化公司,它可以将这些较小的产品放入模型细胞中,以测试不良反应。从脑细胞到肌肉细胞,这些研究人员已经开始注意到多年来非处方药的毒性作用。

Stéphane Corgié的创始人兼首席执行官说:“我们专注于这种(毒理学筛查),因为我们意识到,在这个行业中,有必要更好地了解哪些代谢物可以作用于身体的不同成分。Zymtronix

“人们没有意识到的一件事是,我们每个人都是不同的,毒品对我们的作用取决于我们的年龄、我们来自哪里和我们的背景。因此,更好地预测人群内部的变异是更好地理解药物应该如何应用于人群以及风险因素是什么的方法之一。”

因此,不久的将来,我们可能都生活在一个没有“一刀切”医疗保健方法的世界里;在未来的世界里,患者的基因组在出生时就被完全测序,以找出他们可能对哪些药物产生不良反应。正如它们的性质所表明的那样,生物催化剂正在帮助我们更快地实现这一目标。

人工智能

“对不起,戴夫。恐怕我无法进化出那种酶。”

这可能是一个错误的引用2001:太空漫游但在我们的化学实验室里,如果他们雇佣了一个叫戴夫的人,我们也越来越容易听到这句不祥的话。原文是人工智能(AI)哈尔(Hal)拒绝服从人类主人的场景;而且(尽管现在是2018年,而不是2001年)科学家和国际机构已经开始为这种可能性做准备。物理学家斯蒂芬·霍金已经多次警告说,人工智能最终可能会取代人类,特斯拉的首席执行官埃隆·马斯克声称,人工智能安全的可能性只有10%。

我们站在第四个也是最令人兴奋的阶段的边缘:人工智能辅助生物催化

但抛开潜在的世界末日不谈,这种革命性的工具能给药物制造和生物催化带来什么呢?两个词:速度和效率。

在过去的一个世纪里,生物催化技术经历了三个不同的阶段。第一次是在20世纪20年代,围绕着使用自然发生的生物催化剂来实现转化。在20世纪80年代,第二阶段带来了早期的蛋白质工程技术,可以将生物催化底物扩展到非天然化合物。第三,在本世纪,利用定向进化进一步优化了生物催化,将该领域完全引入工业。现在我们正站在第四个也是最令人兴奋的阶段的边缘:人工智能辅助生物催化。

在先进机器人技术的帮助下,高通量筛查的计算能力可以提高到以前从未想过的水平。事实上,像Codexis这样的酶开发公司已经在投资可以预测氨基酸蛋白质测序顺序的技术。此外,有了新的预测模型来了解酶是如何组织的,实验室工作人员甚至可以在新酶被创造出来之前就考虑它的用途,这可以大大缩短药物开发的时间,使药物更快地推向市场。这种先进的技术还能让公司创造出比以往任何时候都能达到更高性能目标的新蛋白质,在可预见的未来,这种先进的技术肯定会推动生物催化在药物制造中的应用。

长春花

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马达加斯加长春花含有长春碱和长春新碱,这是用于治疗几种癌症的化疗药物

酶走向全球

马达加斯加长春花是一种精致的小花,有着粉红色的花瓣,在新娘的花束中看起来一点也不奇怪。但它也能做一些普通玫瑰或雏菊做不到的事情。它能抗癌。

长春碱是一种从这种植物中分离出来的化疗药物,它有助于将儿童白血病的存活几率从10%提高到95%。这是一朵花,拯救了成千上万的儿童免于过早死亡。一个非凡的制药成功故事,可能会给生物催化研究人员带来一个激进的想法:离我最近的花店在哪里?

他们可能会这样想,因为我们目前对用于制药的生物酶的了解绝大多数是基于对纯培养物的实验室研究。但有一个很好的理由:99%的环境微生物无法在实验室中使用常规技术培养。就像一个挑剔的孩子为他们的西兰花汤而烦恼一样,酶也可以非常挑剔。他们的环境要求太定制了。那么,知道下一个轰动的生物催化剂可能就藏在他们当地的花园中心——而且它不愿意离开——研究人员能做什么呢?

任何优秀的研究人员都应该做的事:去图书馆!

随着高效DNA测序技术的出现,产生无价生物催化剂的植物、真菌和微生物现在可以被现场记录,并被输入宏基因组DNA文库。这些不断增长的数据库在未来的生物催化和药物发现中只会变得更加重要。就在去年,研究人员利用来自地中海岛屿、加拿大造纸厂和德国堆肥厂的数据,确定了80种新的羧酸酯酶。1

多亏了这门环游世界的科学,有潜力通过提高区域选择性、产量和成本效率来彻底改变生物催化过程的酶可以被识别、改造和复制,而原始样品仍然位于地球的另一端。这就是全球化。