酶，是生命不可缺少的核心物质。基因编辑、干细胞技术、靶向药物……生命科学中的诸多关键技术和产品制造，都离不开酶。随着现代生物技术的快速发展，科学家们对酶的理解更深入，利用酶、改造酶，这种“绿色制造”，不仅能改善人类的生活，也开启了设计生命的大门。

1. 发现与认识酶，一个久远的故事

人们对酶的认识，或许可以从酒开始讲起。有一种观点认为酒是这样起源的：古代劳动人民有了富余的粮食后，将它们存在空的桑树洞里。时间久了，粮食就变成了一种具有香味的液体。后来，这种无意的发现就变成了有意识的行为，酿酒由此而生。但那时的人们并不清楚，酿酒的过程就是人类最早利用酶的开端——粮食中的糖类之所以能够变为酒精，就是酶在起作用。

今天，我们已经知道，酶，是一类由细胞产生的生物大分子催化剂。酶的本质是具有催化效能的蛋白质，它们的空间结构复杂而多样。当一种物质需要转化为另一种物质时，有时需要先达到一个很高的能量级别，有的化学反应因为需要越过这个像高山一样的能级，遂“望而却步”或“缓缓而行”；而大自然会使用酶来削低这座山的高度，加速转化过程，科学家们称它为“生物催化”。目前已知的酶可以催化超过数千种生化反应。正因为有酶的存在，生物才能进行生长、代谢、发育、繁殖等生命活动。

从无意识地利用，到科学地认知，人们对酶的认识经历了一个漫长而久远的过程。

19世纪，人们逐步发现食物在胃中能够被消化，植物的提取液可以将淀粉转化为糖等现象，从而初步认识了酶的催化作用。1878年，生理学家Wilhelm Friedrichkühne首次提出了酶的概念。1897年，德国科学家Eduard Buchner开始对不含细胞的酵母提取液进行发酵研究，最终证明发酵过程并不需要完整的活细胞存在。这一发现打开了通向现代酶学与现代生物化学的大门，其本人也因“发现无细胞发酵及相应的生化研究”而获得了1907年的诺贝尔化学奖。

人们在认识到酶是一类不依赖于活体细胞的物质后，开始鉴定其生化组成成分。1926年，美国生物化学家James Batcheller Sumner分离获得了尿素酶的晶体，首次提出酶是蛋白质。1930年，John Howard Northrop和Wendell Meredith Stanley通过对胃蛋白酶、胰蛋白酶和胰凝乳蛋白酶等消化性蛋白酶的研究，最终确认酶是蛋白质。以上三位科学家因此获得1946年度诺贝尔化学奖。

为了研究酶分子的精妙结构，探究它的催化原理，科学家可通过X射线晶体学、冷冻电镜等手段研究酶的三维结构。1965年，第一个获得结构解析的酶分子——溶菌酶的发表，标志着酶结构生物学研究的开始，使酶在分子水平上的工作机制解析成为可能，从而可引导人们对酶进行分子改造，拓展酶的用途。

2. 酶，生命功能的执行者

我们首先要说到酶的最大作用——高效的催化剂。在生命体中，每分每秒都在发生催化反应。比如，人类吃的食物并不直接提供能量，而是要将食物中的葡萄糖进行氧化，才能释放能量，以维持生物体的体温，并为生命活动提供能源。

如果没有酶的参与，在常温常压条件下，实现这一系列的反应，需要几年甚至更长的时间——如果没有酶，消化一口馒头可能要一年时间。若要加快反应速度，就必须使用三百度以上的高温，而这在生物体内是不可能实现的。我们体内一些酶，可以将底物转化为产物的速率提高数百万倍到上亿倍。正是在一系列酶的催化作用下，葡萄糖氧化的过程，能在常温常压下瞬间完成。

一些酶促反应会与我们的感知不经意相交，是它们让我们感受到酸甜苦辣。例如，当我们反复咀嚼馒头或米饭，舌头即会感知甜味，这是由于唾液腺分泌的淀粉酶，促使淀粉部分分解为麦芽糖。

而酶的存在也能解释很多现象。比如，为什么有的人饮酒会“上脸”，有些人则不会？为什么人会“宿醉”？这与两个酶关联甚重：肝中的乙醇脱氢酶负责将酒中的乙醇氧化为乙醛，生成的乙醛进一步在乙醛脱氢酶的催化下转变为无害的乙酸。有的人乙醇脱氢酶活性高，则饮酒后乙醛水平迅速升高，乙醛使毛细血管扩张，表现为人的面部潮红；可若他（她）体内的乙醛脱氢酶活性较低，那么难以转化的乙醛在体内堆积，会导致宿醉，甚至造成肝损伤。

这些特点让酶与现代医学密不可分。例如，医生可以通过检测人体特定的酶的含量，来判断疾病的状况。例如，转氨酶异常升高时，指示肝脏可能受了损。测定一组酶，比较不同酶的变化，为临床诊断提供依据，称为酶谱检测。再比如，心肌酶谱综合了心肌的多种酶，心肌细胞坏死时，释放到血清中的心肌酶会发生异常。检测这些心肌酶，对诊断心肌梗死以及评价溶栓治疗效果有一定的临床价值。

3. 酶，日常生活的“帮手”，生物制造的“芯片”

酶的一个重要特点是专一。通常，一种酶只催化一种物质、发生一种反应，或者化学结构类似物质的相同反应，对其他物质则不会产生催化作用。这也保证了酶在我们体内不会“乱来”——如葡萄糖氧化酶，只催化葡萄糖的醛基氧化为葡萄糖酸，而不会催化葡萄糖的其他基团，亦不会催化其他物质的氧化反应。生物体在不断的进化过程中赋予各种酶专属的功能，一旦由于某些原因造成某一种酶的缺失，或催化活性低下，生物的新陈代谢就会紊乱，可能导致疾病甚至死亡。这也是很多疾病产生的原因之一。

酶还具有分子结构多样性的特点。酶分子通常比需要进行反应的底物大得多，其结构中只有一小部分（大约1-10个氨基酸）直接与底物相作用，被称为催化位点，数个催化位点组成酶的活性中心，而酶的其余部分支撑了活性中心，使酶能够根据环境做出部分改变。

酶的另一个特征是结构与功能的易变性。多数酶需要温和的条件来确保高效的催化效能，当超出适宜的温度和酸碱度范围后，酶的活性会显著下降。一些分子也可以影响酶的活性，如酶抑制剂能降低酶的活性，而酶激活剂能提高酶的活性。如今，许多药物都是酶的抑制剂，例如一些癌症靶向药，就是通过抑制一些“失控”的酶来治疗肿瘤。

酶也是脆弱的，被加热或与化学变性剂接触时，酶原有的结构被打乱，活性也随之丧失。当然，也存在一些极端情况，比如生活在火山环境中的细菌体内的酶具有很强的耐热性；又如胃蛋白酶在胃液极酸的条件下才具有良好的催化活性。

我们的日常生活离不开酶。比如开门七件事“柴米油盐酱醋茶”中，酱油、醋、茶叶的发酵都离不开酶。在酱油酿造中，通过微生物所产生的酶，加速完成了蛋白质水解、淀粉糖化、有机酸发酵等各类生化反应；豆瓣酱、醋、腐乳、酸奶等的生产，离不开各种微生物中的酶。再比如洗衣粉也离不开酶。衣物上常见的污渍，比如奶、蛋、果汁、汗渍都含有蛋白质，很难被表面活性剂或其他助洗剂分解去除。只有在其中添加蛋白酶，把污垢中的蛋白质先分解成可溶性的肽或氨基酸，才能让衣服干净如新。

对现代工业而言，酶，也是绿色生物制造的核心“芯片”。由于酶具有高催化效率、高度的专一性、作用条件温和、可生物降解等优点，在工业制造中可减少原料和能源的消耗，降低废弃物的排放，具有绿色制造和可持续发展的典型特征。

例如，药厂用特定的合成酶来合成抗生素；纤维素被纤维素酶分解后进行发酵生产生物燃料。在科学研究中，基因操作的“分子剪刀”“缝合器”与“精准编辑器”本质都是酶；塑料垃圾也可以找到或者改造出对应的高效酶使其完全降解，这样的例子举不胜举。有研究表明，工业生产中平均每使用1公斤酶制剂，能够减少100公斤的二氧化碳排放，而生产1公斤酶制剂，平均产生的碳排放量不足10公斤——这为“碳达峰”“碳中和”的到来提供了良好的解决方案。

4. 从天然酶到人工酶

酶是大自然给予我们人类的馈赠。在自然界数亿年的进化过程中，酶分子形成了复杂的结构，以行使各自的功能。从生物体找寻适宜属性的天然酶是目前工业用酶的重要来源。自然环境中的微生物具有丰富的多样性，1克土壤中含约1000～100000种微生物，酶在自然选择压力下还在不断地进化与演变，使自然界的酶资源宝库不断丰富。可以预见，随着人们对酶结构与功能关系认识的不断深入，以及人工智能的迅速发展，酶的设计与合成将更为快速、理性、精准，酶催化功能改善的幅度和范围也将进一步拓展。酶的绿色与可持续的特征将进一步凸显，助力我们享受更美好的生活。

生命是一个多层次的复杂系统。若要人工合成生命，需要自下而上的工程化体系，而酶则是该体系的底层基础。循此理念，近期中国科学家完成了二氧化碳合成淀粉的研究。其中，人工设计的新酶——甲醛聚合酶，打通了在生物体外无机碳到有机碳的关键通路。由于地球生物是碳基生命，该工作将大自然中的无机碳转换为生命体中的有机碳，为创造生命提供了能量输入的基础，实现了合成生命的重要一步。从基因到蛋白质，再到细胞，最终组合形成生物体——生命的设计之路还很遥远，而酶学研究的工作恰始于足下。

《光明日报》（2021年11月18日）