翻開(kāi)大學(xué)里的生化教科書(shū)我們會(huì)學(xué)到這樣的知識(shí)，生物體內(nèi)的酶特異性且高效地催化化學(xué)反應(yīng)，它們從散漫的多功能祖先演化而來(lái)，能夠使細(xì)胞更有效的生長(zhǎng)。而現(xiàn)在，這一基礎(chǔ)理論受到了加州大學(xué)圣迭戈分校生物工程師們的挑戰(zhàn)，他們發(fā)表在權(quán)威雜志Science上的文章證實(shí)了一些科學(xué)家多年的懷疑，提出活細(xì)胞中的許多酶仍然相當(dāng)散漫并且具有多重功能。

在這項(xiàng)研究中，加州大學(xué)生物工程學(xué)教授Bernhard Palsson領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)結(jié)合科學(xué)界數(shù)十年來(lái)的大量酶學(xué)研究數(shù)據(jù)，建立了基因組范圍的E. coli代謝模型，發(fā)現(xiàn)在生長(zhǎng)活躍的細(xì)胞中至少有37%的酶身兼數(shù)職，催化多種代謝反應(yīng)。

“我們將E. coli代謝中的所有酶結(jié)合在一起形成了一個(gè)巨大的模型，這一模型使我們得以從整體上分析酶的演化，并得到了出人意料的發(fā)現(xiàn)。”Palsson說(shuō)。

在生命的進(jìn)化中基因和蛋白發(fā)生了改變，人們一般對(duì)單個(gè)基因和蛋白的演化進(jìn)行分別研究。而在本研究中，Palsson及其同事轉(zhuǎn)換思維，通過(guò)模型向人們展示單個(gè)蛋白和酶的演化受到了機(jī)體所有其他酶的影響，并有助于人們了解酶如何一同作用來(lái)支持細(xì)胞生長(zhǎng)。

研究團(tuán)隊(duì)過(guò)全細(xì)胞代謝模型發(fā)現(xiàn)，對(duì)細(xì)胞生長(zhǎng)必要性越大的酶效率更高。而對(duì)細(xì)胞生長(zhǎng)作用不大的酶依然保持著散漫作風(fēng)。對(duì)于這一現(xiàn)象，研究提出了三個(gè)主要原因：

• 機(jī)體內(nèi)使用得更廣泛的酶需要更有效率以避免浪費(fèi)。為了提高效率，它們演化為專門催化一個(gè)特殊的代謝反應(yīng)。

• 催化細(xì)胞生長(zhǎng)和生存必要反應(yīng)的酶，其特異性可以避免不必要的分子干擾。

• 由于生物要適應(yīng)動(dòng)態(tài)而嘈雜的環(huán)境，有時(shí)需要控制特定酶活性以避免能量浪費(fèi)或者為養(yǎng)分改變做準(zhǔn)備。而酶的特異性越高就越容易控制。

“我們的研究發(fā)現(xiàn)，生活細(xì)胞仍在使用多功能酶，而這種亂象對(duì)于生長(zhǎng)并無(wú)害處。這些酶對(duì)于環(huán)境改變并不那么敏感，也不是細(xì)胞有效生長(zhǎng)所必須的，”研究團(tuán)隊(duì)成員之一，現(xiàn)在的哈佛醫(yī)學(xué)院博士后Nathan Lewis說(shuō)。

該研究還是系統(tǒng)生物學(xué)這一新興領(lǐng)域的重大勝利，研究者們成功借助高性能計(jì)算機(jī)和龐大的生命科學(xué)數(shù)據(jù)，模擬了諸如分解營(yíng)養(yǎng)生成能量以及合成新細(xì)胞組分等細(xì)胞活性。“該研究揭示了活體生物中存在大量的多功能酶，并將生化研究提升到整體水平，”Lewis說(shuō)。“研究還明確顯示，使用大規(guī)模模型能夠獲得單個(gè)蛋白細(xì)節(jié)信息，”這一概念將會(huì)帶來(lái)更多的研究成果。

“我們的發(fā)現(xiàn)還能為其他研究者指出那些以往被忽視了的多功能酶，以便他們進(jìn)行深入研究，”Palsson實(shí)驗(yàn)室的博士后Hojung Nam說(shuō)。“除了需要對(duì)酶的多功能活性進(jìn)行研究意外，酶的多功能性可能具有更深遠(yuǎn)的影響。例如科學(xué)家們可以分析酶的多功能活性對(duì)白血病和腦瘤等疾病有何影響，”Nam說(shuō)。