极端酶 - 彭博社

赤道以北十三度，在东太平洋，距离海面一英里半的深处，特拉华大学的科学家们在一艘潜水器中收集带有羽毛状细菌羽毛的蠕虫，这些蠕虫生长在水温达到185华氏度的热液喷口旁边。半个世界之外，在冰岛，一个德国团队从一个向空气喷出硫酸蒸汽的喷口收集耐寒微生物。在以色列，研究人员在死海的高盐度环境中寻找微生物。而在北极的池塘中，科学家们收集在32华氏度下生长最佳的细菌。

这些科学家们穿越全球，追寻自然界中一些最奇特的谜团：被称为极端微生物的微生物，它们栖息在世界上最不适宜生存的环境中。这些流动的科学家们还有一个共同点：他们都是位于宾夕法尼亚州沙伦山的小公司重组生物催化公司（RBI）的顾问和顾问。其使命是发现、克隆和商业化极端微生物分泌的特殊酶。

智囊团。多年来，常见的酶——控制所有生物代谢的蛋白质催化剂——已被用于替代在食品、药物和纸制品生产中使用的昂贵且污染的化学催化剂。问题是，这些酶在高温或许多工业过程中使用的溶剂中大多不稳定。这限制了它们的实用性。

极端微生物和RBI的出现。注意到许多这些生物在工业喜欢调制的有毒混合物中茁壮成长，RBI首席执行官巴里·L·马尔斯——前杜邦公司生命科学部门的主任——招募了研究这些生物的顶尖学者。作为顾问，他们与RBI分享数据，并授权公司商业化他们收集的生物体中的酶。

这个任务将他们带到了某些奇异的地方。一位RBI的合作者，特拉华大学的海洋生物学家克雷格·凯里，曾在美国海军研究潜艇阿尔文号的海底待了数小时。凭借国家科学基金会的资助，他研究生活在“黑烟囱”侧面洞穴中的4英寸长的庞贝虫的行为——这些水下烟囱释放出含有镉、锌和其他对大多数生物有毒的金属的超热水喷流。

在虫子的洞内，温度升高到185华氏度。在外面，虫子寻找食物的地方，温度骤降至36华氏度。“这肯定是地球上最恶劣的环境之一，温度梯度最为严酷，”凯里说。虫子的背上携带着一层厚厚的细菌绒毛。它们分泌的酶，可能是为了使周围的水脱毒，在极端温度下的稳定性非常有价值。

到目前为止，这层绒毛抵抗了所有在实验室中培养它的努力。因此，为了分析它，凯里依赖于RBI的高科技魔法。绕过人类基因组科学公司等顶级基因公司所偏好的繁琐基因测序步骤，RBI可以提取一小撮细菌汤，连同酶一起，提取“裸”核酸。下一步是将链条打断成只包含几个基因的短片段，并将它们插入如大肠杆菌等宿主中。高速机器人筛选器随后确定宿主是否产生所需的酶，从而引导科学家找到相关基因。该测试并未提供关于酶来源生物的身份或行为的任何线索。但RBI的客户并不在乎——他们只想要这些酶。

虽然RBI并不是唯一一家瞄准极端微生物的公司——瑞士的罗氏控股、丹麦的诺和诺德等公司也在紧追不舍——但没有一家展现出同样的能力来利用全球的科学智囊团。在仅仅15个月的运营后，该公司预计今年将实现500万美元的收入盈亏平衡。

RBI的科学联系解释了其快速启动的原因。其创始人之一、人类基因组科学公司董事长兼首席执行官威廉·A·哈塞尔廷的声誉帮助吸引了来自风险投资家的1000万美元。由于第二位创始人、德国雷根斯堡大学的极端微生物学专家卡尔·O·斯特特的参与，其他科学家也纷纷涌向这家初创公司。

RBI预计其新酶的应用将覆盖多个行业，从农业到石油生产（见表）。北卡罗来纳州立大学的化学工程教授、RBI顾问罗伯特·M·凯利正在寻找一种能够帮助从地球深处提取石油的酶，他转向了一种在高达248华氏度的温度下仍能正常工作的微生物酶——这超过了水的沸点。他和RBI正在与几家希望获得该技术许可的油田服务公司进行洽谈。

医学是另一个目标市场。治疗性酶——包括如链激酶这样的溶栓药物——已经占据了全球25亿美元酶市场的大约一半。当然，药物和常规生物医学测试不需要在极端高温或腐蚀性化学环境中发挥作用。但来自极端微生物的酶的高稳定性可能会导致酶基础疗法的改进版本。

快速研究。这些希望帮助RBI获得了一些大合作伙伴，包括化学和设备巨头赫克勒斯公司。赫克勒斯的新技术倡议主任大卫·A·辛普森希望与RBI的合作可能会导致清理工业污染的新技术，例如。因为99.9%的微生物生命仍然未被探索，辛普森预期会有许多惊人而有用的发现。

为了为工业定制酶，RBI求助于加州理工学院的化学工程教授弗朗西斯·H·阿诺德。作为顾问，她指导RBI的工程师们使用一种突变特定DNA片段以产生所需特性的技术——RBI的马尔斯称之为“定向进化”。通过强迫编码高温酶的DNA经过反复快速突变，每次选择能够在稍微凉爽的环境中发挥作用的后代，RBI可以创造在室温下活跃但具有极端生物体蛋白质稳定性的酶。

然而，在这种技术中，一些人看到对RBI长期议程的威胁。定向进化的原理被其他科学家和工程师很好地理解。如果将其推向逻辑的极限，这种方法可能会创造出在任何环境中运作的酶，从而不再需要寻找新的极端生物体。

一种称为化学交联的技术也可能与RBI的方法相抗衡。通过对高度纯化酶的晶体结构进行调整，剑桥（马萨诸塞州）初创公司Altus Biologics的工程师表示，他们已经赋予了类似于来自极端环境的天然酶的分子的稳定性。

即使它的方法获胜，RBI也不会独占这个领域。罗氏的科学家指出，第一个从极端生物中分离出的商业酶是Taq聚合酶——一种帮助放大微量DNA的分子。这个分子成为了一种主要科学工具的基础，称为聚合酶链反应，除了其他用途外，还用于DNA“指纹识别”。罗氏拥有这种酶的权利，并正在探索从极端生物中分离出的其他有用蛋白质。

尽管如此，RBI的流动学术合作者团队给它带来了优势。他们的信息是：继续探索。在仔细研究高温酶的结构两年后，RBI顾问迈克尔·W·W·亚当斯，乔治亚大学的生物化学家，得出结论：在自然界中寻找它们没有有效的捷径。“如果你想要高度稳定的酶，你必须去极端环境，”他说。大自然的财富，似乎存在于它的黑烟囱、蒸汽喷口和盐湖中。