数十年的酶学研究将活性位点描述为挑剔且高度特化的结构，设计用于识别单一底物并执行单一任务。新研究正在颠覆这一教条，表明许多已被充分表征的酶具有进行全新化学反应的潜力，而药物发现领域才刚刚开始利用这一特性。
糖酵解如何塑造我们对酶的认识
20世纪的大部分时间里，酶学研究主要受到一类特定酶的影响：作用于小分子可溶性代谢物的可溶性蛋白质。像己糖激酶、醛缩酶和乳酸脱氢酶这样的糖酵解酶成为了早期生物化学的主力军。这些酶易于纯化、易于检测，非常适合建立动力学、锁钥模型以及后来的诱导契合等基础概念。
这些系统提供了宝贵的见解，但也给该领域留下了持久的影响。酶被视为高度特异性的、严格受限的催化剂，经过进化以识别单一底物（或一小类类似物）并沿单一明确途径转化它。对精确形状的活性位点口袋容纳其理想底物的经典描述，很大程度上源自对中心代谢中酶的研究。
然而，当将这种世界观应用于肽、蛋白质或功能密集的天然产物等大而结构复杂的底物时，其局限性日益显现。在这里，酶催化从处理代谢物转变为改变整个分子的结构。
在过去十年中，对天然产物生物合成、核糖体合成和翻译后修饰肽（RiPPs）以及天然和工程金属酶的研究提供了令人信服的证据，表明从糖酵解衍生出的规则和假设过于狭隘。
构建分子结构而不仅是化学键的酶
天然产物合成途径正在扩大我们对酶能力的认识。在许多RiPP系统中，短前体肽通过多种酶转化为高度结构化的、通常经过广泛修饰的最终产物。这些酶不仅仅是修饰侧链：它们可以从根本上重塑肽的主链和整体拓扑结构。
以下是一些展示这种能力范围的例子：
- 作为大环化酶的脯氨酰寡肽酶。 在产生α-鹅膏蕈碱的蘑菇中，一种特殊的脯氨酰寡肽酶切割前体肽并催化其大环化，生成环状八聚体α-鹅膏蕈碱。同一酶在一种情况下作为标准蛋白酶发挥作用，在另一种情况下可以作为大环化酶发挥作用。
- 连接而非切割的天冬酰胺内肽酶（AEPs）。 最初被归类为种子储存蛋白酶的某些植物AEPs主要作为转肽酶发挥作用，切除并环化肽。这些酶可以识别相对较大的肽底物，并以令人印象深刻的效率执行切割耦合的大环化。
- 主链N-甲基化大环化合物。 真菌RiPP途径，如omphalotin系统，可以在大环化核心肽之前沿肽主链引入多个N-甲基化。结果是一种高度修饰的大环化合物，具有类似药物的药代动力学特性，完全由作用于最初看似普通的简单肽的酶组装而成。
在细菌、真菌和植物中，基因组挖掘不断发现能够进行主链重排、交联、异戊二烯化和大环化的新型酶家族。在许多情况下，这些酶实现的化学反应极其具有挑战性——或几乎不可能——通过合成化学重现。
老蛋白支架，全新化学反应
与此同时，在包括细胞色素P450在内的血红素蛋白等金属酶中，出现了另一组观察结果。这些酶进化为氧化酶，将氧插入广泛底物的C-H键中。然而，它们的活性位点比早期研究显示的要多功能得多。
通过对天然血红素蛋白应用定向进化，研究人员已经产生了能够进行卡宾和氮宾转移反应的酶。工程化的P450变体现在可以催化广泛的转化反应，包括烯烃的对映选择性环丙烷化、形成C-N和C-C键的C-H插入、炔烃的环丙烯化，以及烯烃的氨基羟基化和初级胺化。
许多这些反应在选择性和周转率方面与最佳小分子催化剂相媲美甚至超越，有些在传统金属有机化学中是前所未有的。类似的观察结果现在也出现在其他酶类中。Fe/α-酮戊二酸氧化酶已被改造用于非天然C-H功能化，脱氢酶已成功在药物中间体中安装具有挑战性的立体中心，而人工金属酶则是通过将过渡金属催化剂嵌入蛋白支架中构建的。
天然功能与新化学反应之间的区别通常是一个上下文和工程问题，而不是蛋白质强加的硬性限制。酶进化以处理特定代谢物或底物，但它们的活性位点和动力学通常包含潜在的催化潜力，可以被发现和引导。
从催化剂到模块化构建工具
将酶从单一反应专家重新定义为模块化构建工具，使新的生物技术应用得以出现。
- 可编程大环制造平台。 大环肽和类肽支架是具有吸引力的治疗方式，因为它们可以构象刚性、抗蛋白水解，并且非常适合调节蛋白质-蛋白质相互作用。AEPs、大环化酶和其他RiPP成熟酶可以被重新用作通用环化催化剂，用于生产设计的肽库。
- 化学酶法"后期"多样化。 工程化的P450和其他金属酶可以整合到合成路线中，在合成后期引入高选择性的C-H功能化或成环步骤，将多步序列压缩为单一的生物催化转化。该策略使得能够在对传统催化方法而言过于脆弱或复杂的支架上进行聚焦的构效关系研究。
- 即插即用的RiPP设备。 因为RiPP途径将信息（前体肽）与设备（酶）分开，它们自然适合模块化工程。交换引导序列、重新排列核心序列或重组酶集，使研究人员能够设计混合途径，将来自多个天然产物家族的化学特性安装到单一肽主链上。
在所有这些情况下，酶正被重新部署为通用的分子构建工具，而不仅仅是局限于特定生物合成途径的催化剂。
酶学仍处于起步阶段
经典酶学教科书主要描述了自然界为满足自身代谢需求而进化出的解决方案，这些方案受到进化约束的塑造，而这些约束与药物发现、材料科学或合成生物学的目标大相径庭。将问题从酶做什么转变为酶能做什么——使用不同的底物、辅因子或少量突变——大大拓宽了可及化学的范围。
能够大环化长N-甲基化肽的酶、能够形成超越自然界存在的C-C和C-N键的P450、以及能够实现与全合成相媲美化学反应的RiPP酶，这些都是可能性的早期信号，而非最终结论。
我们正从以代谢为中心的酶作为管家催化剂的观点，转向更广泛的观点：酶作为可编程的分子机器，能够构建复杂的支架并获得远超生物学历史范围的反应性。
如果这种转变继续下去，未来几十年最具变革性的酶功能可能不是自然界自身进化的，而是我们通过挑战糖酵解教给我们的假设而发现和设计的。
从这个意义上说，来自自然界和进化的酶是成熟的，但从人类影响的角度来看，酶学几乎还处于起步阶段。重新设计、重新用途和重组酶的工具终于到位。我们选择如何部署下一步几乎具有难以想象的力量。我们将更好地理解生物学，并能够以有用且以前无法想象的方式重塑它。
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