研究者们希望从那些生活在地球某些极为恶劣环境中的生物体内，找到酶化学中极为灵敏的工业催化剂。

就我们所知，在水星炽热的表面或者火星酷寒的表面，绝不会有生命存在。但是，在地球上非常恶劣的环境中，却找到了具有异型生物化学类别的生物。如在油井深处，北极冰层中，干燥的含盐沼泽里，以及洋底热蒸汽的出口处。伯克莱加利福尼亚大学的生物化学工程师道格拉斯 · 克拉克（Donglas Clark）说：“我想，目前在上述地方找到的生物，15年后，就不大可能存在了。”今天，克拉克和其它的化学家分离出这些“极限环境生物”，研究使它们生命延续的分子。其目的在于：将这些分子切实可行地应用于实验室和工业过程中。

化学家、生物化学家和生物化学工程师所组成的，训练有素的研究组，对这些生物体内酶的构造装配、拆卸及其如何调节这些生物的新陈代谢都非常感兴趣，洛瓦大学的生物化学家乔纳森 · 多迪克（Jonathan Dordick）说：“人还没有设计出一种选择性能像酶一样的催化剂。”把普通昆虫的酶用于多数工业过程，则太过于脆弱——它们在高温或者有毒的溶剂中，不是被烧焦就是被崩解。这就是为什么化学家们要寻找超耐力的酶，即使他们戏称为“极限酶”，能把超常的精确性和超常的韧性结合起来，在自然边缘也能存活。

华盛顿大学的约翰 · 巴洛斯（John Baross）说，有些研究者发现自然的极限酶，具有许多新奇的和有用的特性。他曾在深海的火山口搜寻和收集生物，提供一些有趣的特异的酶。其它的一些研究者，则揭露赋予这些酶在极限高温、寒冷、压力或者浓盐条件中生存能力的分子手段。他们希望最终可以利用这些分子手段制成超过自然的酶，在那些使最有耐受性生物死亡的环境中（如工业溶剂），也能完成任务的酶。

最近在华盛顿由美国国家科学基金会及国家标准和技术研究所，发起召开的一次会议上，多迪克作为与会的160位极限酶研究者之一，发表意见时说：“我们要利用自然的能力，取得一种具有非常高的选择性，同时把它转入纯粹人造的系统。”

如果他们能成功，潜在效益可能非常巨大，成功的例证之一就是Taq聚合酶，一种从嗜热细菌Thermus aquaticus中得到的自然酶。它是聚合酶链反应（PCR）中的重载体。因它在销售中获得数十亿美元而彻底改变了生物化学整个领域。但是，taq聚合酶甚至没有被认为是一种真正的极限酶；虽然它十分坚韧，能在标准的PCR中重复加热和冷却步骤中存活。它只有在80℃“冷凉的”温度中裂解。目前，研究者们用生存在深海火山口的细菌更为坚韧的酶，进行PCR加速型试验，这些深海火山口由于压力，使水温度达到了120℃。

新颖的生物化学

生物化学家们认识到有关极限酶的手段已经超出了PCR的范围，进入了完全新颖的化学过程领域，马萨诸塞州贝弗莱的新英格兰生物实验室的弗朗辛 · 珀勒（Francine Perler）取得了最新的发现。不只是她用改变温度来控制嗜热酶的活性，而且在从未见过的生物化学过程中，温度也会影响酶以改变其活性，珀勒说，当她在E. Coli（大肠杆菌），克隆一个来自热火山口生物的酶的基因时，偶然发现了这种机制。她便停止制取这种酶，因为她不需要这种会杀死寄主的酶——核酸-吃核酸内切酶，她说，她想为她的酶——一种聚合酶——编码，记录下其基因顺序时，就像为一个很大的蛋白质编码一样，她怀疑这种大蛋白质是一种能分裂成包括核酸内切酶片段在内的前体。

她说，由于她看到这种前体时，变化发生得太快，所以，她就把基因密码拼接成两段——核酸内切酶——送进冷水细菌中一种蛋白质的基因内，当她在12℃条件下，诱使该生物形成这种蛋白质时，发现出现的竟是一种大块的、不活动的蛋白质。如果把这种蛋白质逐渐加温到90℃——接近该种生物在热火山口家园的温度时——就会观察到这块大的蛋白质分开了，自动地产生核酸内切酶以及会自动拼接形成聚合酶的三个片段。她说：“这件事之所以引起人们激动，完全是由于蛋白质发生拼接这一事实。”最近，有些研究组报道证明了染色体断片会自己拼接在一起形成酶时。她说这是首次任何人都能分离前体并控制其拼接。

而完成所有的拼接之后，又如何才能使酶在接近沸腾的水中存活呢？有些研究者开始收集各种线索。至今，他们才发现极限酶很会保守秘密，北卡罗来纳州立大学的生物化学工程师罗伯特 · 凯利（Robert Kelly）说：“自然不会只采用一种策略来稳定蛋白质，而是将其作用于一个大的范围之内。或者，勿宁这样说，自然采用了许多不同的措施，共同作用于稳定性。”这一假定便牵扯出极限酶赋予其特有稳定性的许多独特性质。

研究者们找到几个他们认为是重要的结构。凯利发现有些高温酶的氨基酸，在加热过程中极少有容易被破坏的。而乔治亚大学的迈克尔 · 亚当斯（Michael Adams），最近在一篇论文中记述说，有些极限酶用“盐桥”一一一种像拉链似的离子系列，从内部结合起来，使结构不易被拆开。

其它的研究者相信在极限酶的机制之间，存在某些有效的重迭，使之能够抵御热量和压力，伯克莱的克拉克说：“我想有一种共同的机制，据此它们才能在极限条件下生存，去年，克拉克开始寻找抗压和抗温之间的联系，发现居住在既有沸腾高温，又有巨大压力的深海火山口处的生物体内取出的酶，在增加压力时，变得更加稳定，更加活跃。然后，他又从适于高温，却不适于高压的生物中，取得一些酶，却惊奇地发现，在增加压力的情况下，它们也能得到稳定。

压力链提供了线索，其中有些手段，蛋白质用于热稳定性。酶不仅具有亚当斯提出的盐桥，另外还有一个被排水的疏水链，结合在一起密密填满的内层，克拉克说，由于压力不稳定盐桥而稳定疏水键，所在酶在压力下变得更加稳定，很可能是依赖于高温稳定性的疏水键。

正当克拉克在其他有害条件下，找寻生物赖以生存机制中热稳定性的线索时，马萨诸塞州沃尔萨姆的布兰代斯大学的生物化学家格雷戈里 · 佩特斯科Gregory Pstsko）却试图走另一途径：重新进化。他提示说，流行的遗传学证据表明，嗜热细菌可以被认为是已知的最原始的生物，原来生活分布在比较冷的区域，后来适应了温和的气候。但是，现代的冷水细菌和其嗜热的祖先，却有无数难以理解的差别，佩特斯科说：“对这些由于随机遗传漂变形成的差别，其重要性我没有意见。”为了解决这个问题，佩特斯科使用了自然选择的加速构型，使嗜热生物适应较冷温度的试验。他说：“我们要做自然做过的事情。”却要更快些。

他用一个故意弄碎的PCR变体，去放大细菌的一条DNA，制成几千个随机性的突变体构型。然后，又用原来DNA的少量交替样板去装配嗜热生物，把它们放入冷凉的环境中，从中筛选出幸存者。其中大多数仍然只能适应热的火山口，因而不能生长。但有少数却发育成有助于适应冷水的突变体。

由于冷水突变体是来自原型唯一的突变体，其结构的改变就会透露出和温度稳定性的某些关系。至此，佩特斯科和他的同事们，就掌握了冷水突变体构型内，细菌合成亮氨酸不可缺少的酶。佩特斯科说，它的结构暗示出适应性的特性：冷水把适应热的酶变成无效的、坚硬的硬快。而适应冷的突变体却保持着灵活性。

最后的解答

最后，佩特斯科、克拉克和其他人希望能够充分了解极限酶的习性，以便改进它们，不仅能经受住高温，甚至对生命更有危害的各种环境，例如用于各种工业过程中的有机溶剂。酶比用于这些过程中的合成催化剂更精确和更有效，但是，天然酶在有机溶剂中，通常都不能存活，而少数则成万倍地失活。

也有使酶能够经受住有机溶剂的其它诱因：马萨诸塞州技术研究所的化学家亚历山大 · 克利巴诺夫Alexander Klibanov）说，溶剂使有些酶挑选和它们结合的靶子。1994年，他找到一打在有机溶剂中比在水中变得更具选择性的，能在左-右方向构型之间做出选择的酶。对配制许多药物来说，镜像分子之间的选择非常重要，因为右-左方向构型常常具有严格不同的生物学效应。克利巴诺夫说，改变选择性的原因之一就是溶剂能使酶或多或少地变灵活，而这种灵活性随后就能控制酶选择靶子的方式。增加选择性是有代价的：酶只能保留在水中活性的0.0001%。为提高其活性水平，多迪克从其它独特的培养基——非常浓的盐水——中，考查了极限酶。

他研究来自死海或旧金山海湾的盐沼泽地中的一种生物——适盐细菌，那儿的水比普通海水含盐量要高30倍。如果把这些生物从充满了盐的环境移出，它们就会死去，这说明它们的确需要很浓的盐水，才能发挥作用。多迪克以这些酶存活的趋向性来改进用于溶剂中其它的酶，并以此为目的进行了研究。他说，还没有一种和有机溶剂相似的自然环境。但是，盐却像溶剂，能使酶脱水。盐离子粘住酶，使之与水隔离。

多迪克说，在过去的6个月中，他发现了盐能够使专门适盐的酶和普通的酶一起存活在溶剂中，他研究了这一过程，取一种适盐的酶和一些盐水，将其冷冻干燥；然后把这种粉状的盐-酶组合物，加到一种有机溶剂中去。他说，这种酶就会恢复生命，其作用几乎和它在自然的盐水环境中完全一样。

多迪克说，下一步他决定看看是否能用一种新鲜水的酶，得到相同的结果。他用一种能把蛋白质分解成肽的，叫做蛋白酶，放到盐水中，冷冻干燥成盐粉，然后将其加到不同的工业溶剂中。他说：“我发现其活性戏剧性地增加了。”作为一个20，000的当量换算因素——使它有了在水中活性的五分之一。

尽管有了这些有希望的结果，加利福尼亚技术研究所的生物化学工程师弗兰西丝 · 阿莫尔德（Franees Arnold）认为，研究自然的极限酶，虽然有趣，却不是使酶适应工业过程的最好方法。她说：“许多特性我们在自然界中，都找不到相似之物。”工业溶剂没有自然的搭伴。所以，把酶混入溶剂，就是“自然永远没有理由去做”的事情。

阿莫尔德开发了一项自然从未打算做的技术：由自然选择指导进化的类型。像布兰代斯的佩特斯科那样，她用分子生物学的手段繁殖了一种生物的上千个突变体构型，这些突变体改变丁一种特殊酶的结构。对生存在一些新条件中（比如说一种特别的溶剂）的生物进行挑选，就能制出新的酶去做任何你所希望的事情。她说，这种指导进化的种类，可能生产蛋白质，远比自然界的极限酶作用更大。她说：“极限酶是分子进化开始的好场所。”“但是，我们需要知道其边缘何在……即酶究竟能走多远。”

无论其边缘何在，看来化学家们还没有到达，即使他们现在所做的酶化学工作已经制度化了好几年，而看起来全都是难以置信的。

［据Science，1994年7月22日］