隨著近代物理的發(fā)展，人們逐步開始了解微觀領域以及背后支配其運行的規(guī)律跃须。對于化學反應的設計與控制也被提上了日程，與此同時菇民，理論與工程也在實踐中相互促進投储。
1901年，第一屆Nobel獎就授予了van't Hoff娇掏，以表彰其在化學動力學理論的貢獻勋眯。而后，1912年Sabatier的金屬催化加氫反應塞蹭、1918年Haber的合成氨工業(yè)讶坯，以及近來的非平衡態(tài)熱力學、基元反應研究钧舌、RNA催化涎跨、小分子/過渡金屬催化……從宏觀到微觀崭歧，從唯象到實質(zhì)，人類對化學反應的調(diào)節(jié)控制越發(fā)精細叔营，對分子間相互作用的觀測理解也日臻完善，對催化劑的設計改進也向著高效率畜挥、多樣化婴谱、功能化的方向不斷發(fā)展。
從合成氨得獎的歷史進程华糖，便可看出這樣的趨勢：1918/Haber——合成氨工業(yè)瘟裸、1932/Bosch——反應的改進(Haber-Bosch過程)、2007/Ertl——合成氨催化劑的表面吸附歷程兼搏，這正是一個從表面到本質(zhì)沙郭，不斷深入的研究進展。
目前，在重化工領域中氧苍，諸如合成氨、石油裂解等基于負載催化劑的異相催化反應占據(jù)了主導地位紊撕。而精細化工和相當多的有機合成工業(yè)考慮到有機化學和生物體系的復雜性赡突，以及高效、綠色浪南、節(jié)能等目標漱受，催化劑的種類更為豐富多樣。從簡單的酸和堿絮记，到較為復雜的過渡金屬配合物、有機小分子派敷、酶等等撰洗，不一而足。其中潜支，目前酶在合成化學中的發(fā)展程度遠遠無法匹及其巨大的潛力柿汛。
高中的教科書里，明確地寫出了酶的性質(zhì)——高效性與專一性裁替。
毫無疑問貌笨，高效性是酶的最大優(yōu)勢。但酶促反應的高度專一性與底物的普適性相互沖突昌腰，極大限制了底物的種類膀跌；同時酶本身的結構具有不同程度上的不穩(wěn)定性(熱、酸堿劫流、重金屬等)丛忆，或者不適合非水溶劑等非生物體系，因而在實際生產(chǎn)過程中會有所限制可很。
此外凰浮，如果可以直接利用改造后的工程微生物姜骡，其應用范圍可能會更加廣泛。因此惫周，在功能導向設計理念的指引下，人們的目光逐漸聚焦在對酶結構的改造與篩選上喷橙。
如果贰逾，可以根據(jù)所需的反應去設計酶的結構菠秒，那么世界將會怎樣？
回到這個問題言缤。
有機合成的工作者們會注意到禁灼，從生物體中分離出來的天然產(chǎn)物常可劃分出若干個相關的系列僻孝，其中同系列的化合物具有一定的相似性守谓。而這些系列化合物往往是活體內(nèi)各種酶催化反應所生成的代謝產(chǎn)物。
甲羥戊酸(mevalonic acid)的代謝歷程與代謝產(chǎn)物
在這些紛繁復雜的代謝產(chǎn)物之中悴务，有很多具有高度張力和復雜結構的分子讯檐，其中一部分可能具有一定的生物活性染服。而這顯然對合成工作者造成了相當大的困擾，但也令人聯(lián)想到酶促反應的巨大可能性挖垛。
刺尾魚毒素(Maitotoxin)，具有多個環(huán)狀聚醚結構片段送矩，由東京大學-Harvard聯(lián)合完成初步的全合成工作
大自然演化至今哪替，生物的個體之間雖然外表各異，但幾乎共用了同一套遺傳密碼晌块，且部分關鍵的酶(細胞色素類和ATP酶等)的結構也十分接近帅霜。但生物體內(nèi)復雜的天然代謝產(chǎn)物幾乎全部來自于生物體內(nèi)的簡單片段的組合與修飾。這些廣泛分布于生物體中的部分酶在相關的催化反應中起到了決定性的作用钝尸。
有限類型的酶與若干簡單底物的組合闽铐，可以得到十分復雜而龐大的天然化合物庫兄墅，這一點提示了人們，酶在改造分子結構上的潛力不可限量沐悦。
而Frances Arnold的主要貢獻五督，也就是所謂“定向進化”(directed evolution)，主要內(nèi)容是快速獲得具有高度多樣性的酶結構庫副签，并加以高通量篩選過程基矮。從酶結構的來源——DNA入手，通過基因工程的方法本砰，在DNA編碼層面上進行高度重組钢悲，均勻而高效地獲得突變舔株，從而得到一個DNA庫还棱；而后經(jīng)PCR擴增诱贿，再進行轉(zhuǎn)錄與翻譯，即可獲得不同形式的多肽鏈珠十；實驗人員再從中篩選出來符合需要的蛋白質(zhì)焙蹭，并進一步循環(huán)改進嫂伞，直至符合要求。
定向進化(directed evolution)操作流程
而在這個過程中撰豺，科學家代替了大自然的角色污桦，擔負起了“自然選擇”的任務匙监，人為淘汰掉效果不佳的蛋白質(zhì)結構，只保留性能更好的部分用于下一輪“進化”稼钩，相當于高度加速后的化學進化歷程达罗。
在技術層面上，人們還可進一步通過組合化學和高通量篩選方法巡李，充分挖掘了酶的結構多樣性滔蝉。此外，輔以量子化學的分子動力學計算和神經(jīng)網(wǎng)絡等計算機方法的支持阳谍，可以更有效地判斷出對催化和穩(wěn)定性等更為重要的氨基酸位點，因而通過定點突變與進化鸽疾，有望更快地接近所需酶的結構训貌，甚至可以直接從頭設計，獲得自然界中不存在的全新生物酶豺鼻。這想必也是未來重要的發(fā)展方向款慨。
在Arnold的開山之作中檩奠，一種天然來源的蛋白酶，僅需經(jīng)過3次定向進化過程和10個突變點埠戳，即可形成在一種有機溶劑DMF中也能正常工作的酶整胃，而且其活性比野生型高~250倍∏菲。考慮到溶劑極性和氫鍵等因素對蛋白質(zhì)構象的微妙影響屋灌，可以說進化循環(huán)的效率十分顯著。
二甲基甲酰胺(DMF)
而目前的工作祠丝，主要集中在廣泛存在于各種生物體中的細胞色素類(細胞色素c/P450系)写半，通過其卟啉環(huán)上的Fe催化諸如單氧化和卡賓遷移等類型的反應尉咕。
Cytochrome c (cyt c)
Cytochrome P450 (CYP450)
在已發(fā)表的主要工作中年缎，已經(jīng)可以實現(xiàn)的有：
改造后的細胞色素c催化C-Si铃慷、C-B鍵的特異性合成蜕该，而自然界從未有過實例堂淡，其效率與選擇性甚至高于現(xiàn)有的有機化學方法，有人認為是研究準“硅基生物”的起點
細胞色素P450系的催化單氧化與C-H胺化反應萤悴，后者在合成方法學領域稚疹，往往需要特定的過渡金屬催化劑(Buchward-Hartwig反應/C-H活化-胺化反應)祭务，且其立體選擇性同樣依賴不對稱配體怪嫌，難以企及對應的酶催化反應
隨著定向進化技術的發(fā)展拌倍，我們有希望借助蛋白質(zhì)等大分子催化所需的反應噪径，甚至通過導入活體，得到工程微生物梗顺，來合成所需的小分子物質(zhì)车摄。而可利用的催化劑從異相催化到小分子催化、過渡金屬配合物变屁，逐步發(fā)展到了生物大分子領域意狠，以至于生物本身。
在可預見的未來闷板，合成化學的工具箱里，將會出現(xiàn)各種類型的高效工程酶和工程微生物击孩，如同現(xiàn)有的過渡金屬催化配體鹏漆、有機小分子催化劑和方法學一樣。而這如果成為現(xiàn)實括蝠，將有可能完全改變現(xiàn)有的藥物饭聚、醫(yī)學和精細化工領域。
定向進化的實現(xiàn)法绵，標志著人類不僅可以控制有機酪碘、無機小分子的反應，還可以操縱生物大分子的相互作用徙赢；不僅可以通過試驗尋找催化劑探越，還可以從原理上理解其機理钦幔，甚至可根據(jù)所需功能，針對性地創(chuàng)造新的結構與反應搀庶。
可以說铜异，人類不僅可以觀測微觀世界(STM/AFM/冷凍電鏡技術等)、操控微粒和細胞(光鑷技術)咆蒿、觀測反應歷程(交叉分子束/超快激光)，還可以進一步設計與控制生物大分子與反應歷程缭黔，以至完成了數(shù)十億年來自然進化都沒有做到的工作蒂破。
與其說是蛋白質(zhì)的進化，不如說是科技與人類的進步惧互。
