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Frances H. Arnold教授
弗朗西絲·阿諾德（Frances Arnold）是一位杰出的美國化學(xué)家和工程師，以對酶的定向進(jìn)化的研究而聞名。她于2018年獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)，這一成就使她成為史上第五位獲得該獎(jiǎng)項(xiàng)的女性，成為了與居里夫人站在了同一個(gè)榮譽(yù)的女性。阿諾德教授通過研究如何利用生物學(xué)原理改進(jìn)酶的功能，為制造生物燃料、藥物等提供了創(chuàng)新的方法。
阿諾德教授出生于美國賓夕法尼亞州匹茲堡市，在年輕時(shí)就展現(xiàn)出了強(qiáng)烈的獨(dú)立性和質(zhì)疑精神。盡管面臨家庭壓力，她仍然堅(jiān)定地選擇了自己的道路，并在科學(xué)領(lǐng)域取得了杰出的成就。她的學(xué)術(shù)生涯在加州理工學(xué)院取得了長足的發(fā)展，最終成為一位備受尊敬的教授。
阿諾德教授的研究聚焦在酶的定向進(jìn)化上。她利用這一技術(shù)，通過借鑒自然選擇的原理，使酶的性能得到顯著提升。這項(xiàng)研究不僅改變了傳統(tǒng)的化學(xué)合成方法，還為生物制造領(lǐng)域帶來了新的可能性。她的成果不僅提高了生產(chǎn)效率，還降低了對環(huán)境的影響，為可持續(xù)發(fā)展做出了貢獻(xiàn)。
除了在科學(xué)研究領(lǐng)域取得的輝煌成就外，阿諾德教授還面對著個(gè)人生活中的挑戰(zhàn)。她經(jīng)歷了婚姻的喪失、癌癥的治療以及家庭的悲劇，但她始終保持著堅(jiān)強(qiáng)和樂觀的態(tài)度，不斷努力追求科學(xué)的進(jìn)步。正驗(yàn)證了中國的諺語:“不經(jīng)一番徹骨寒，怎得梅花撲鼻香”。
正文
揮發(fā)性硅氧烷（VMS）作為一類人造化學(xué)物質(zhì)，因其廣泛應(yīng)用于消費(fèi)品生產(chǎn)，卻又具有環(huán)境持久性、遠(yuǎn)距離遷移和生物富集的潛在風(fēng)險(xiǎn)，引發(fā)了化學(xué)家們的廣泛關(guān)注。尤其是隨著VMS生產(chǎn)規(guī)模的不斷增長，對其潛在環(huán)境影響的擔(dān)憂日益加深。面對VMS廣泛應(yīng)用的社會(huì)利益和對其潛在環(huán)境危害的擔(dān)憂，本研究的意義在于為尋找一種可行的、環(huán)境友好的VMS降解途徑打開了一扇新的大門。通過對酶催化Si-C鍵裂解的理解，不僅可以更好地了解VMS在生物體內(nèi)的代謝途徑，還可以為未來設(shè)計(jì)更強(qiáng)大的生物催化劑奠定基礎(chǔ)，從而實(shí)現(xiàn)VMS的高效生物降解。這一研究不僅拓展了酶催化領(lǐng)域的邊界，也為可持續(xù)發(fā)展提供了新的戰(zhàn)略，有望為VMS的環(huán)境管理和控制提供重要的科學(xué)支持。下載化學(xué)加APP到你手機(jī)，更加方便，更多收獲。
圖片來源：Science
為了解決VMS（揮發(fā)性硅氧烷）的降解問題，作者采取了創(chuàng)新性的方法。首次，他們通過定向進(jìn)化的手段，成功合成了一種特殊的酶，被命名為LSilOx（線性硅氧烷氧化酶）。LSilOx經(jīng)過多輪定向進(jìn)化，最終演變成了能夠在溫和條件下催化硅碳鍵的酶。這一過程中，作者利用了大腸桿菌裂解液，通過改變LSilOx的氨基酸序列，使其逐漸獲得對VMS進(jìn)行Si-C鍵裂解的能力（圖1）。
圖2. 在大腸桿菌裂解液中使用六甲基二硅氧烷（1）、八甲基三硅氧烷（2）和八甲基環(huán)四硅氧烷（3）進(jìn)行定向進(jìn)化
圖2展示了在大腸桿菌裂解液中對不同硅氧烷進(jìn)行定向進(jìn)化的實(shí)驗(yàn)過程。通過對六甲基二硅氧烷（1）、八甲基三硅氧烷（2）和八甲基環(huán)四硅氧烷（3）的定向進(jìn)化，作者成功地改良了酶的催化活性。在(A)、(B)和(C)中，LSilOx和CSilOx譜系在不同硅氧烷底物上的定向進(jìn)化展示了酶活性的提高，并通過GC-MS等方法對產(chǎn)物進(jìn)行了定量分析和結(jié)構(gòu)表征。在(D)中，野生型P450BM3的結(jié)構(gòu)揭示了在定向進(jìn)化過程中積累的氨基酸替換，這些替換為改良的酶活性提供了基礎(chǔ)。這些定向進(jìn)化的結(jié)果為研究人員提供了具有更強(qiáng)硅碳鍵裂解活性的生物催化劑，為生物體內(nèi)硅碳鍵裂解的機(jī)制研究提供了關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。
圖片來源：Science
圖3展示了對酶催化硅碳鍵斷裂機(jī)制的詳細(xì)調(diào)查。在(A)部分，研究人員發(fā)現(xiàn)Si-C鍵斷裂活性與NADPH濃度相關(guān)，表明NADPH對該反應(yīng)至關(guān)重要。在(B)部分，LSilOx4DFAD變體中FAD結(jié)構(gòu)域的截?cái)鄬?dǎo)致Si-C鍵斷裂活性下降了2.6倍，說明FAD結(jié)構(gòu)域?qū)υ摲磻?yīng)起到重要作用。在(C)部分通過ABTS甲醇試驗(yàn)和purpald甲醛試驗(yàn)，作者發(fā)現(xiàn)甲醛是酶反應(yīng)的副產(chǎn)物。對照實(shí)驗(yàn)顯示，LSilOx4不會(huì)將甲醇氧化為甲醛，而裂解的碳以甲醛的形式釋放。圖D展示了以硅氧烷1或羥甘醇4作為底物的酶反應(yīng)時(shí)間過程。這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果為理解酶催化硅碳鍵斷裂的機(jī)制提供了重要線索，并為未來的生物體內(nèi)硅碳鍵降解研究提供了基礎(chǔ)。
圖4. 硅氧烷甲基團(tuán)的串聯(lián)雙酶氧化導(dǎo)致硅-碳鍵的裂解
圖4顯示了在與羥甘醇4的酶反應(yīng)中發(fā)現(xiàn)的微量峰的GC-MS跡線，例如從5分鐘反應(yīng)中的一個(gè)例子。這表明了在酶的作用下，羥甘醇4經(jīng)歷了某種反應(yīng)，產(chǎn)生了具有特定質(zhì)譜特征的產(chǎn)物。通過Swern氧化羥甘醇4，研究人員成功地在原位合成了甲醛硅氧烷10，并通過1H NMR進(jìn)行了表征。這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果為了解酶催化Si-C鍵裂解的可能機(jī)制提供了重要的線索。進(jìn)一步的高分辨質(zhì)譜數(shù)據(jù)顯示了在用羥甘醇4作為底物進(jìn)行的5分鐘酶反應(yīng)中，產(chǎn)生了可能與甲醛硅氧烷10相關(guān)的信號。這些數(shù)據(jù)揭示了tandem雙酶C-H羥基化和羥甘醇氧化為甲醛硅氧烷10的可能機(jī)制。這一發(fā)現(xiàn)為理解生物體內(nèi)硅碳鍵裂解的機(jī)制提供了重要線索，并為未來進(jìn)一步研究和應(yīng)用提供了基礎(chǔ)。
總結(jié)
阿諾德教授、Dimitris E. Katsoulis團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了一種細(xì)胞色素P450酶，通過定向進(jìn)化技術(shù)，使其具備了更廣泛的應(yīng)用范圍，為解決環(huán)境問題和可持續(xù)發(fā)展提供了新的途徑。這一研究成果再次印證了阿諾德教授對科學(xué)的信念和責(zé)任感，她堅(jiān)信科學(xué)的力量能夠改變世界，為人類帶來更美好的未來。
Frances Arnold對待科學(xué)的責(zé)任感和信念感，也啟發(fā)著太多的后輩科學(xué)家們。Frances Arnold不僅將科學(xué)視作為一種責(zé)任和使命，更是將其視為一種為人類福祉服務(wù)的崇高事業(yè)。她致力于確保她的科學(xué)成果能夠造福全人類，為人類社會(huì)的進(jìn)步作出貢獻(xiàn)。
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