人工酶：站在数学、化学与生物科学的边界之上

现代文明离不开化学、化学工程及化工产品，它们提供着各种各样的高性能材料，支撑着高科技产品的发展，在解决能源、环境、材料和信息等领域的卡脖子问题等方面发挥着重要作用。中国工程院院士、清华大学化学工程系教授金涌表示，现代社会的经济发展和全人类的衣、食、住、行都离不开化学和化工产品，化学与化学工程是高新科技的发端和支撑，其所支撑的泛化学工业在食品、制药、医用材料等人类健康支撑产业方面发挥着重大作用，是国民经济的脊梁。

科协频道推出“化学化工铸造未来”专栏，介绍近年来化学化工领域的研究工作和科技成果，展示化学化工的科技魅力。

绿色的树木，芬芳的花朵，地球充满生机，人类与100多万种动物、40多万种植物及无法用肉眼观察的微生物相邻相伴、相生相克，维持着大自然的和谐统一。无数的生命在有序地运转着，生命正常运转的背后，是许多个酶分子在“兢兢业业”地工作，维持细胞正常的新陈代谢。在微生物的世界中，酶结构就像一把精密的“钥匙”，可以开启不同的催化反应通道，让生物体产生不同的功能变化。在化工、制药等行业，酶也因催化效率高、底物专一性强、环境友好等优点，被广泛应用。

但自然界中的这些天然的“钥匙”功能有限并且获取时间漫长，无法满足人类日益增长的需求。例如，对于一些能够为生产和生活创造价值的化学反应，自然界中很有可能并不存在催化效率较高的酶。并且自然界中的天然酶往往热稳定性不高，难以满足工业生产需求。

当酶的功能达不到我们的需求时，改造酶就成为我们的选择。人工酶是相对天然酶提出的概念，指的是天然酶经过人为改造或者从头创造得到的酶。设计人工酶的方法称作人工酶设计，它将计算机技术和生物化学原理结合，充分利用计算机强大的计算能力改造天然酶。

一方面，我们可以改进已有酶的性质，例如提高已有酶的热稳定性、活性，改变酶的最适PH值。另一方面，我们可以设计具备新功能的酶，即根据特定化学反应需要实现的功能，推导出反应的机理，从而设计合适的酶结构。

计算机技术的快速发展，赋予我们改造酶的神奇能力。合适的数学模型和优化算法，让我们能够找到庞大的酶序列空间中的最优解。站在数学、化学与生物科学的边界之上，我们将可能随心所欲地设计酶，进而拥有改变世界的力量。

恩格斯曾经说过“任何一门科学的真正完善在于数学工具的广泛应用”。21世纪是生命科学的世纪，而化学是解释一切生命现象的依据，人工酶设计在计算机上建立生物催化反应的模型，利用计算机强大的计算能力快速搜索庞大的蛋白质序列空间，通过解最优化问题得到最优氨基酸序列。这是将量子力学，数学统计学等知识应用于化学合成的经典案例，是人类用数学法则指导生命过程的尝试。

现代化工和医药的发展要求更准确有效地设计有机反应，人工酶设计基于其广泛的应用范围，较低的设计成本，错综复杂的学科交叉性，已经成为现代科学皇冠上的明珠。

如今，数据驱动的人工智能技术的发展如火如荼，已有较多团队将机器学习、深度学习技术用于酶的设计改造，也为酶设计注入了新的活力。酶的智能化计算设计是未来发展的新趋势，也是人工酶设计面临的新挑战。在机遇与挑战并存下，科技工作者也正致力于通过开发具有自主知识产权的人工酶设计新技术，解决蛋白质改造领域“卡脖子”技术难题，设计出功能多样的人工酶。

相信在攻克未来生命科学难题的道路上，人工酶将会书写浓墨重彩的一笔。

点击视频，了解人工酶设计

视频来源：《探索化学化工未来世界：值得为之付出一生.2》

整理自《探索化学化工未来世界：值得为之付出一生.2》，金涌主编，北京：清华大学出版社，2022年4月。

编辑排版 | 倪妮

审核 | 六朵  苍翼蝴蝶  竹子

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