连续进化的卤化酶：提高溶解性和活性以实现可持续生物制造

为日常产品带来更清洁的化学

许多药物、作物处理剂和高科技材料在分子上引入氯或溴原子后性能更佳。如今，这种“+卤素”改造通常在使用强烈、有毒试剂的大型化工厂中完成。本研究展示了科学家如何训练细菌酶在活细胞内执行相同类型的转化，使过程更清洁、更精确且更易于放大生产。

为何加入单个原子也很关键

大约四分之一的处方药和大多数现代农用化学品含有卤素原子，这些原子能延长药物体内的停留时间、改善到达靶点的能力或增强在环境中的稳定性。色氨酸是一类许多这些化合物的重要起始分子，包括染料、作物保护剂和实验性抗抑郁药。在色氨酸的恰当位置加入卤素，能将其转化为药物和有色材料的有价值前体，或作为可以嵌入蛋白质和小型抗菌肽的特殊构建块，使它们更耐用且更强效。

自然原始酶的问题

自然界已有能够非常选择性地在色氨酸上引入卤素的酶，从而避免了传统化学中的浪费和副反应。其中研究最广的是称为 RebH 的酶。不幸的是，在细胞温暖且拥挤的内部环境中，RebH 往往易于聚集、反应缓慢并在较高温度下失活。这使其难以在将糖发酵为有用产物的微生物中使用，也限制了早期尝试在工业相关水平生产卤代色氨酸及相关分子的努力。

利用病毒连续进化出更好工具

研究人员在细菌内构建了一个巧妙的传感器：只有在产生并插入卤代色氨酸到测试蛋白中时，细胞才会发出绿色荧光。他们将这种发光与感染细菌的无害病毒的生命周期联系起来。只有携带更有效 RebH 变体的病毒才能让宿主细胞发光并产生新病毒。通过将这种“适者生存”的循环持续运行超过 500 小时，同时逐步提高温度，团队让进化在无数酶变体中进行筛选。最终版本命名为 RebHEvo4，包含 12 处小的结构改动，这些改动共同提高了其溶解性、活性，并使其能在 37 °C（大规模细菌发酵的典型温度）下良好工作。

从实验台走向生物反应器

在整细胞中测试时，改良酶在相同条件下产生的氯代色氨酸约为原始酶的 37 倍，溴代色氨酸约为 44 倍。即便与在其偏好较低温度下工作的原始酶比较，新的酶在 37 °C 下的产量仍高出十倍以上。在一台 5 升发酵罐中，团队达到了每升 2.7 克的氯代色氨酸，这是迄今为止该类产物报道的最高水平。通过添加一个能切除色氨酸部分结构的伴侣酶，他们还构建出通往卤代色胺的路径——这类分子与部分偏头痛药和实验性精神药物相关——产量较此前提高了三十倍以上。

在细胞内合成更强效的小型抗菌肽

卤代色氨酸也可以直接构建到称为抗菌肽的短蛋白链中，这些肽正被探索为未来的抗生素。团队将进化后的酶与一种专门的翻译系统结合，使细菌能够在精确位置合成带有氯或溴的这些肽。他们用此方法扫描候选肽的不同位点，发现有一个位点可以容纳额外的原子而不丧失杀菌活性。相同的细胞机械随后生产出毫克级的这种卤代肽，其性能和结构与传统化学合成得到的等效肽相匹配。

对未来绿色制造的意义

通过将 RebH 进化为更快、更稳健且更易溶解的版本，研究人员将一个脆弱的天然催化剂转变为工业可用的主力工具。新酶使细菌能够用简单的糖和盐而非腐蚀性化学品来制造卤代构建块、类药分子和定制肽。这种方法可以扩展到其他酶和其他非标准构建块，为更清洁、更灵活地生产含卤药物和材料打开了大门。

引用: Pulschen, A.A., Booth, J., Satanowski, A. et al. Continuous evolution of a halogenase enzyme with improved solubility and activity for sustainable bioproduction. Nat Commun 17, 4357 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70981-4

关键词: 卤代色氨酸, 酶进化, 生物制造, 抗菌肽, 绿色化学