生物技术与医药化工的结合
生物技术与医药化工看似分属不同“流派”，其实二者的结合早有渊源。20世纪50年代，上海科研工作者首次成功研制出国产青霉素，这就是生物技术与医药化工“联姻”的产物，因为生产青霉素就用到了发酵这种生物技术。
如今，生物技术在医药化工领域的应用越来越多，其中之一就是酶促反应。酶是生化反应中常见的催化剂，它跟普通的催化剂相比有两个优点：一是速率更快，二是选择性更高。前一个优点有利于化学品的快速合成，后一个优点有利于精准合成。
但是，酶也有缺点——在工业生产条件下非常不稳定。这不难理解。因为酶通常是存在于生物体内的，它的产生、进化都是为了满足生命过程的需要，所以，把酶从条件温和的生物体内拿出来，放到动辄高温、高压、强酸、强碱的工业生产条件下，它自然会因“水土不服”而失活。
为了克服这个缺点，几代科学家做出了不懈的努力。20世纪70年代初，科学家将游离酶和载体结合起来，使其可以重复利用，这就是酶的固定化技术，也是酶工程的核心技术。后来，基因工程技术日臻成熟，科学家将目标基因与载体DNA在体外进行拼接重组，然后转入另一种易生长、易繁殖的生物体内，让外源物质在其中表达出新产物或新性状。第三代“改造”则在蛋白质身上做起了文章，其中尤以酶的定向进化最为亮眼，这种技术通过人为创造特定的进化条件，模拟自然进化机制，从而改造基因，并定向选择出能够适应这一条件的酶。历经三代“改造”，酶的稳定性问题基本上得以解决，酶真正适应了化学工业的需要。
当酶能够稳定使用的时候，它的第三个优点就显露出来了，那就是反应条件温和，这也意味着酶促反应体系是更加节能和安全的。至此，以酶为代表的生物催化剂“手持”反应速率快、选择性高、反应条件温和三大“利器”，已经具备了产业化应用的可行性和可靠性。
率先实现产业化
我们团队领衔完成的“生物催化剂的快速定制改造和高效合成手性化学品的关键技术”项目，就是生物催化剂在医药化工领域实现产业化应用的典型案例，2018年，该项目获得了上海市技术发明奖一等奖。
事实上，当工业界看到了生物催化剂的应用潜力之后，就有企业提出了实际需求：能否使用生物催化剂来大规模地、高效地生产特定的药物化学品？要想满足这一需求，需要解决两个问题：第一，天然存在的酶有几百万种之多，怎样从这么多酶当中找到能用的那一个？第二，怎样让这个酶进一步从“能用”变得“好用”，从而适应产业化的需要？
我们最初的尝试是从一种名叫（R）-硫辛酸的手性化学品开始的。（R）-硫辛酸被誉为“万能抗氧化剂”，它的抗氧化性能非常优异，多用作预防和治疗心脏病、糖尿病及阿尔茨海默病的维生素类药物。在此之前，合成（R）-硫辛酸需要多达6步化学反应，效率很低；而且，（R）和（S）这两种手性化学品除了光学性质不同以外，其他物理性质和化学性质几乎一模一样，分离起来要耗费大量工时。
首先面临的难题就是酶的筛选。要想从数以百万计的酶当中找到能够催化合成（R）-硫辛酸的那一个，无异于大海捞针。好在，我们团队已经预先建立了“千酶库”，这个库里只有1 000多个酶，却能代表全部几百万种酶，所以，我们要做的是在“千酶库”里筛选目标酶，而不需要将几百万个酶逐一尝试，这样搜索范围一下子缩小了3个数量级，难题迎刃而解。
找到这个天然酶只是“万里长征走完了第一步”，接下来还需要对天然酶进行有针对性的改造，让它真正满足产业化的要求。于是，我们创新发展了多目标并行的定向进化策略，解决了酶催化剂易失活、稳定性差的问题。我们最终得到的酶与天然酶相比，其催化活性提高了近1 000倍，稳定性提高了近 2 000倍。这样的结果，意味着我们建立的酶法合成（R）-硫辛酸成套工艺远远超越了国外同类专利，我们成为世界上第一个实现了该工艺产业化的团队，并且拥有完整的自主知识产权。
“千酶库”：工业催化酶的“侦察兵团”
这项研究中最大的亮点，也是我们的制胜法宝，当属“千酶库”的建立。那么，“千酶库”是什么呢？
你可能做过这样一道智力题：假设有100瓶酒，其中有1瓶是毒酒；现在有7只小鼠，每只小鼠只能喝一次酒，且喝到毒酒就会死去，你能仅用这7只小鼠找到那瓶毒酒吗？
答案是肯定的。你当然不能一瓶一瓶挨着去试，不然很可能小鼠都用完了，毒酒并未现形。你可以在这100瓶酒中挑出50瓶，从每瓶酒里取一点样品混合，让小鼠喝一次，这样你就知道了毒酒在哪一组（如果小鼠死了，说明毒酒就在这50瓶当中；如果小鼠没死，说明毒酒在另外50瓶当中）。依次类推，逐渐缩小范围，当最后确定唯一的那瓶毒酒时，算下来需要尝试的次数不会超过7次。
建立“千酶库”的原理也是类似的。天然存在的酶有几百万个，一个个尝试显然是不现实的。于是，我们根据酶在进化树上的分布，从每3 000个酶当中选择一个“代表”，一共选出1 000多个“代表”。这1 000多个“代表”被称为先导酶。如果把数百万的酶比作百万大军，那么先导酶就好比侦察兵，一旦与被测试的目标底物起了反应，就可以提示我们把方向瞄准进化树上先导酶邻近的基因群落，准确指引方向；接下来再通过高通量筛选方法，就可以快速锁定目标。
这就是“千酶库”的原理。它大大简化了催化剂筛选的工作流程：如果一个个地尝试，需要进行几百万次实验；但是有了“千酶库”，理论上最多只需要进行几千次实验。正是因为采用了这种巧妙的策略，我们的速度才能大大加快，才能将找到先导酶的时间从1~2年缩短至1~2星期。
（原载于《科学画报》2021年第9期，本文受到上海科委2019年度“科技创新行动计划”科普领域项目资助。项目名称：“立足科创中心，传播尖端科技——打造上海重大获奖科技成果科普化融媒体专栏”；项目编号：19DZ2332600。）
本文选自《科学画报》
