科学家发现酶是如何在低温下进化的

生命已经进化了数十亿年，适应了不断变化的环境。同样，酶——加速细胞内生化反应（催化）的蛋白质——已经适应了宿主生物的栖息地。每种酶都有一个最佳温度范围，在该范围内，酶的功能达到峰值

对于人类来说，这大约是正常体温（37°C）。偏离此范围会导致酶活性减慢并最终停止。然而，一些生物，如细菌，在极端环境中茁壮成长，如温泉或冰冻的极地水域。这些极端微生物具有适应在恶劣条件下发挥作用的酶

例如，来自嗜热菌的酶，即在高温环境中茁壮成长的生物体，具有耐热性，在高温下表现出良好的催化活性；在较低温度下显著下降。相比之下，来自中温菌和嗜冷菌的酶，即栖息在温和寒冷环境中的生物，缺乏热稳定性，在较低温度下表现出较高的催化活性

有证据表明，最早的生命形式是嗜热菌，随着地球的冷却，它们逐渐适应了较低的温度。酶在较低温度下保持催化活性的能力与其分子结构的灵活性有关

然而，这种适应背后的确切分子机制尚不清楚。了解嗜热生物的酶是如何进化到在较低温度下发挥作用的，不仅可以提供对进化生物学的见解，还可以帮助优化针对不同温度条件的生物工程酶

由于祖先酶已不存在，科学家们使用一种称为祖先序列重建（ASR）的技术来研究它们的进化

ASR将分子系统发育学与遗传和蛋白质工程相结合，利用活物种的系统发育相关序列推断和重建已灭绝生物的遗传或蛋白质序列

3-异丙基苹果酸脱氢酶（IPMDH）是一种参与亮氨酸生物合成（合成亮氨酸的代谢途径，亮氨酸是20种蛋白质氨基酸之一）的酶，由于其广泛的进化历史，是研究热稳定性和冷适应的极好候选者

为此，由日本早稻田大学的Satoshi Akanuma教授领导的一个研究小组与早稻田大学助理教授Sota Yagi、RIKEN生物系统动力学研究中心的Subrata Dasgupta博士和Shunsuke Tagami博士合作，研究了低温下IPMDH活性的进化改善

这项研究发表在《蛋白质科学》杂志上

他们使用ASR追踪了它从最古老的嗜热共同祖先的酶到嗜温细菌大肠杆菌的进化

Akanuma解释说：“我们沿着连接最后一个共同细菌祖先和大肠杆菌IPMDH（EcIPMDH）的进化轨迹重建了11种中间祖先酶。”。“在那之后，我们分析了每个进化阶段酶活性的变化，特别是低温下催化活性的提高。”

他们观察到在25°C下催化活性显著增加，这并不遵循渐进的线性模式。相反，第五代（Anc05）和第六代（Anc06）中间祖先之间发生了巨大的进步

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是什么导致了酶效率的突然提高

为了找到潜在的分子机制，研究人员比较了祖先酶的氨基酸序列，并使用了定点突变，这是一种可以精确改变DNA和蛋白质序列的技术

他们确定了三个关键的氨基酸替代，在25°C下显著提高了催化活性。令人惊讶的是，这些突变发生在远离活性位点的地方，挑战了之前认为温度适应主要是由活性位点修饰驱动的观点

分子动力学模拟揭示了Anc05和Anc06之间的关键结构转变。当Anc05保持开放构象时，Anc06可以采用部分封闭的构象，在低温下降低活化能并提高酶效率

这一转变发生在25亿至21亿年前，与大氧化事件同时发生，大氧化事件导致大气甲烷急剧下降和全球变冷。研究人员认为，这种气候变化可能促使酶适应较低的温度

通过识别提高酶效率的关键突变，ASR为生命如何应对地球不断变化的环境提供了有价值的见解。Akanuma总结道：“将这种方法应用于各种酶，有望揭示生物体及其酶在过去40亿年中是如何随着地球环境变化而进化的。”

除了基础研究，这些发现还可以帮助生物工程酶在生物技术、制药和环境科学中的应用 More information: Shuang Cui et al, Insights into the low‐temperature adaptation of an enzyme as studied through ancestral sequence reconstruction, Protein Science (2025). DOI: 10.1002/pro.70071