Nature：科学家生成世界首个人工酶

　　

生物通报道：最近，英国医学研究委员会（Medical Research Council，MRC）的科学家们生成了世界上第一个由人工遗传物质制成的酶。他们的合成酶，是由自然界中不会产生的分子制成，能够在实验室引发化学反应。

相关研究结果发表在2014年12月1日的《自然》杂志（Nature），为生命的起源提供了新的见解，也为全新一代药物和诊断法的开发，提供一个出发点。

这些结果基于MRC分子生物学实验室以前的工作，他们生成了称为“XNAs”的合成分子，这些分子能够以类似DNA的方式储存和传递遗传物质。

该研究小组用实验室自制的XNAs作为构建模块，制备了“XNAzymes”，它能引发简单的反应，例如切割或缝合小片段RNA，就像天然酶一样。

MRC 分子生物学实验室的Philipp Holliger博士带领了这项研究，他说：“地球上所有生命都依赖于一系列的化学反应，从消化食物到在细胞中制造DNA。这些反应大多数在环境温度和压力下发生的太过迟缓，需要酶来启动或‘催化’这个过程。”

我们的每一个细胞都含有数千种不同的酶，其中许多是蛋白质。但是生命所必需的一些关键酶是由RNA执行的，生命本身就被认为是开始于一种自复制RNA酶的进化。

Holliger博士解释说：“直到最近，人们认为，DNA和RNA是能够储存遗传信息的唯一分析，连同蛋白质——能形成酶的唯一生物分子。我们的研究表明，原则上，这些自然分子可能有一些替代品，能够支持生命所需的催化过程。生命对RNA和DNA的”选择“可能是一个史前化学事故。

本文第一作者、剑桥圣约翰学院博士后、Phil Holliger实验室的Alex Taylor博士补充说：“用自然界并不产生的构建模块产生合成DNA（现在的酶），也提出了一个可能性，即如果在其他行星上有生命存在，也可能涌现出一系列完全不同的分子，从而扩大了可能拥有生命的行星的数量。”

DNA和RNA是生命的构建模块，储存我们所有的遗传物质，并传递给后代。

在2012年，Holliger博士研究小组表明，有六种替代分子（称为XNAs），也可以储存遗传物质并通过自然选择而进化。现在他们已经将这一原则扩展到，首次发现了四种不同类型的合成催化剂，由这些完全非天然的构建模块形成。

XNAzymes能够催化简单的反应，如在试管内切割和连接RNA链。其中一种XNAzymes甚至可以将XNA链连接在一起，这代表着制备一种生命系统的第一步。

因为他们的XNAzymes比天然酶更稳定，科学家们相信，这些合成酶可能对于开发一系列疾病的新疗法非常有用，包括癌症和病毒感染——它们利用身体的自然过程在体内生根。

Holliger博士补充说：“我们的XNAs化学性质非常强大，因为它们并不存在于自然界，它们不会被身体的自然降解酶所识别。这可能会使它们成为破坏疾病相关RNA的长期疗法的一种诱人候选。”

MRC分子和细胞医学董事会主席Patrick Maxwell表示：“合成生物学正在提供一些令人惊叹的进步，有望改变我们理解和治疗疾病的方式。UK很擅长这一领域，这一最新进展提供了诱人的前景，我们可利用设计的生物学部分，作为一种全新疗法和诊断工具（它们更有效并具有更长的保质期）的出发点。”

（生物通：王英）

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生物通推荐原文摘要：
Catalysts from synthetic genetic polymers
Abstract: The emergence of catalysis in early genetic polymers such as RNA is considered a key transition in the origin of life, pre-dating the appearance of protein enzymes. DNA also demonstrates the capacity to fold into three-dimensional structures and form catalysts in vitro. However, to what degree these natural biopolymers comprise functionally privileged chemical scaffolds for folding or the evolution of catalysis is not known. The ability of synthetic genetic polymers (XNAs) with alternative backbone chemistries not found in nature to fold into defined structures and bind ligands raises the possibility that these too might be capable of forming catalysts (XNAzymes). Here we report the discovery of such XNAzymes, elaborated in four different chemistries (arabino nucleic acids, ANA; 2′-fluoroarabino nucleic acids, FANA; hexitol nucleic acids, HNA; and cyclohexene nucleic acids, CeNA) directly from random XNA oligomer pools, exhibiting in trans RNA endonuclease and ligase activities. We also describe an XNA–XNA ligase metalloenzyme in the FANA framework, establishing catalysis in an entirely synthetic system and enabling the synthesis of FANA oligomers and an active RNA endonuclease FANAzyme from its constituent parts. These results extend catalysis beyond biopolymers and establish technologies for the discovery of catalysts in a wide range of polymer scaffolds not found in nature. Evolution of catalysis independent of any natural polymer has implications for the definition of chemical boundary conditions for the emergence of life on Earth and elsewhere in the Universe.