2024年12月，西湖大学理学院叶宇轩课题组在Nature Chemistry上发表了一项研究：他们突破传统，让一类叫做烯还原酶的蛋白质“逆转”了自身的使命：烯还原酶的天然任务是还原，也就是把分子里碳和碳之间的双键变成单键，叶宇轩让它做了相反的事：从单键出发，造出双键。
但那时烯还原酶面对的，还是一张简单的地图。真实的合成场景，远比之来得复杂。
一年后，叶宇轩课题组带着同一支酶又来了。这一次，他们面对的是一个真正复杂的底物体系，而团队的目标也更具挑战：不仅要发生反应，还要精确决定反应发生的位置。
用于复杂分子后期修饰的酶催化选择性去饱和化
烯还原酶又一次漂亮地完成了任务。看完文章，也许你会感到，自然所蕴藏的可能性着实超过我们的想象。
这项研究，于近日再次发表在Nature Chemistry上。
选择困难
叶宇轩的这两项研究，最终产物都是烯酮（α,β-不饱和羰基化合物）。
烯酮的结构特征是：羰基（碳氧双键）旁边，挨着一个碳碳双键。正是这个双键组合，让它同时拥有两种截然相反的身份。
一方面，这类分子的化学结构极为活泼，像一个到处找人握手的“社牛”，很容易和周围富含电子的分子结合。一旦人体内的DNA和蛋白质与之握手，就可能带来毒性风险。
另一方面，烯酮也是药物设计里的重要结构单元。同样因为活泼，它可以主动锁住致病蛋白上的特定位点，形成共价结合。这类设计思路已经在抗癌药物开发中广泛使用。
同一个特性，放错地方是毒，用对了就是药。
正因如此，合成烯酮成为有机化学里的核心需求之一。化学家对此最直接的方法是脱氢：从一个普通的酮出发，在碳碳之间引入一个双键，造出烯酮。
这听起来简单，但在复杂分子上如何制造烯酮，这一步可以说难得出奇。
难处在于选择。
复杂的底物分子，它们的碳骨架绕来绕去，上面挂着各种官能团。可以脱氢的位置往往不止一个，而你需要在其中一个位置精确操作。
问题是，传统的化学方法很难分清差异。
就像一栋楼，每一层都有窗户，你现在要在三楼左侧第二个窗户上安装一扇玻璃，但你的工具，会同时对所有窗户起作用。
叶宇轩介绍，在多数传统催化体系中，催化剂能感知到的，常常是它正在操作的那个碳原子附近（α位）的化学环境——就像近视的你，只能看到眼前两米。但如果取代基位置稍远（β位甚至γ位），催化剂就会失去感知能力，反应究竟发生在哪里，往往难以精确控制。
传统化学方法催化β-取代环己酮去饱和化结果
换句话说，化学催化剂在复杂分子中，往往会面临“选择困难症”。为了完成相应的合成目标，化学家经常需要大量的“绕路”工作，因此，整体的合成链条可谓繁复。
叶宇轩这项研究，就给这类问题提供了个新思路：直接换工具。
更大的地图
烯还原酶（EREDs）是叶宇轩选择的工具。
实验室使用的烯还原酶
在烯还原酶家族中，有一类成员叫做OYE——“老黄酶”（Old Yellow Enzyme），一个听上去非常老派的名字。名称来自其标志性的黄色，那是辅因子核黄素（维生素B2）的颜色。老黄酶是生物体防御系统的一部分，它的天职，是把有毒的烯酮还原掉。
叶宇轩的前一篇研究，就是证明通过改造，可以让它的逆反应变得高效可用。
这次，叶宇轩把同样的体系搬上了一张更大的地图。
当此次的底物从对称变成了不对称，听起来只是一个词的差别，但对催化剂的要求却完全不同。
来解释一下此时发生了什么：当底物对称，就意味着只有一个脱氢位点，自然不存在“哪里脱”的问题。但真实的合成场景里，分子往往长得不那么规整：一侧多了个取代基，两侧便不再等价，可以脱氢的位点随之变成了至少两个。
更进一步，不对称的底物本身就有手性，所以原料是两种镜像形式的混合物，潜在的选择位点进一步增加。要从多种可能性里精准选出一种，难度自不同日而语。
那么，老黄酶这次是如何做到的？
答案藏在反应机理的细节中。简单理解，关键并不在于酶“更强”，而在于它“看得更远”。
叶宇轩从上一篇研究中发现，老黄酶所感知并做出区分的，是β位的化学环境，而不是α位。
如前所述，传统化学催化往往依赖邻近环境作出判断。而酶则不同。众所周知，它是一个三维的蛋白质口袋，能够“囫囵吞枣”一般，把整个底物分子包裹在活性位点之中，因而可以感知β位、甚至更远处的空间信息。
更重要的是，叶宇轩发现，决定反应发生位置的，也是反应的第二步：β位氢负转移，这一步对底物构型与局部环境极为敏感，因此酶能够区分看似相似的不同位点。
基于GkOYE与GsOYE优势变体对β-苯基环己酮底物的动力学模拟
基于这一理解，叶宇轩课题组对老黄酶进行了改造，最终，他们实现了一种此前难以做到的能力：在同一个底物上，通过不同的酶，引导脱氢反应发生在不同的位置。化学上，这叫做“位点发散性去饱和化”。
对于一个已经被人类研究接近100年的老黄酶来说，这颇有些老树开新花的意味。
基于此，叶宇轩实现了在复杂分子上“定制化”地引入双键。这一系列研究，有望帮助科学家缩短合成路线、提高合成效率，加速新药分子的测试研发工作。
此外，他们还证明，酶催化与传统化学催化方法，并非简单的替换关系。
他们选择了萜类天然产物进行测试。这是一大类结构复杂的天然分子，诸如青蒿素、紫杉醇、薄荷醇、樟脑，都是萜类化合物。它们的碳骨架复杂，反应位点众多。
研究团队发现，在同一个底物上，传统化学方法倾向于在3a、4位发生脱氢；而酶催化体系，则更倾向于在6、7位进行反应。
两种工具就这样各自到达了对方触及不了的地方。
酶催化萜类分子位点选择性脱氢结果
定向进化
那么，究竟叶宇轩是如何在烯还原酶身上，完成这样“逆天”的改造的？
讲起来好像很简单粗暴："快速进化就行。"
叶宇轩说的是定向进化。
酶的功能由它的氨基酸序列决定，而氨基酸序列又由DNA编码。通过人为引入突变，可以获得一系列略有差异的酶变体。再通过筛选，挑选出表现更好的个体，作为下一轮进化的起点。
一轮接一轮，就像一场有方向的赛跑，最终跑向科学家所设定的终点。
“很多化学的方法，可以初步控制选择性，但很多时候不知道怎么提高、怎么优化。而酶不一样，你只要有一点能力，就可以快速进化。”
GkOYE与GsOYE酶活性中心关键氨基酸残基
2018年，美国化学家Frances Arnold因定向进化的开创性工作获得诺贝尔化学奖。评奖词写道：它将达尔文的进化原理引入了试管之中。
进化论，在生命史上已经被验证了38亿年。定向进化，则是把亿万年的时间，压进了实验室一轮轮的进化周期里。因而，我们能够设定筛选标准，让迭代自己找到答案。
叶宇轩强调，定向进化的前提，“是这个蛋白质必须要有一点点这个能力”。
大众对酶有一个根深蒂固的印象：特异性极强，只做一件事。
但不是所有酶都如此。老黄酶的天然职责，是参与体内的氧化还原过程，其功能本身即有一定的广谱性。正是这种“并不完全专一”的特性，使它成为一个可以被重新训练的起点。
“大家现在也开始慢慢突破对酶的固有印象，酶能做的事情比我们想象得更多。”叶宇轩表示。
围绕烯还原酶去饱和化能力的这项研究，已经引起了工业界的注意。当前，叶宇轩课题组已与国外一家酶工业化应用企业签署了合作协议。
做出这样的研究选择，对叶宇轩来说，并非偶然。这本身就需要一种跨越学科边界的眼光。
“做酶的人知道这个酶可以做脱氢，但他也许不知道烯酮有用，”叶宇轩在采访中说，“做化学的知道烯酮有用，但他不知道酶可以做这件事。”
同时看到两边的故事，真正的机会往往就出现在二者之间的空白地带。叶宇轩自己的本科与博士阶段都在做有机化学，博后时期转向酶催化，这种跨越，让他能够同时看到两种体系的边界。
而交叉的结果便是，化学家们的工具箱里，又多了一件未曾有过的东西——一件大自然用38亿年打磨出来的工具。
叶宇轩课题组合影
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