中性疏水氨基酸
生物学家劳伦斯·赫斯特和斯蒂芬·弗里兰在20世纪90年代末把天然基因密码和计算机随机产生的几百万组密码拿去比对，结果轰动一时。他们想知道，如果发生点突变这种把一个字母换掉的变异，哪一套密码系统能保留最多正确的氨基酸，或将它代换成另一个性质相似的氨基酸。
结果他们发现，天然的基因密码最经得起突变的考验。点突变常常不会影响氨基酸序列，而如果突变真的改变了氨基酸，也会由另一个物理特性相似的氨基酸来取代。据此，赫斯特与弗里兰宣称，天然的遗传密码比成千上万套随机产生的密码要优良得多。它不但不是大自然密码学家愚蠢而盲目的作品，而是万里挑一的密码系统。
天然的三联基因密码的第一个字母都有特定的对应方式。举例来说，所有以丙酮酸为前体合成的氨基酸，它们密码的第一个字母都是T。所有由α-酮戊二酸所合成的氨基酸，其三联密码第一个字母都是C；所有由草酰乙酸合成的氨基酸，第一个字母都是A；最后，几种简单前体通过单一步骤所合成的氨基酸，第一个字母都是G。
三联密码的第二个字母和氨基酸是否容易溶于水有关，或者说和氨基酸的疏水性有关。亲水性氨基酸会溶于水，疏水性氨基酸不会溶于水，但会溶在脂肪或油里，比如溶在含有脂质的细胞膜里。所有的氨基酸，可以从“非常疏水”到“非常亲水”排列成一张图谱，而正是这张图谱决定了氨基酸与第二个密码字母之间的关系。疏水性最强的六个氨基酸里有五个，第二个字母都是T，所有亲水性最强的氨基酸第二个字母都是A。介于中间的有些是G有些是C。
三联密码的第三个字母不含任何信息，不管接上哪一个字母都没关系，这组密码子都会翻译出一样的氨基酸。以甘氨酸为例，它的密码子是GGG，但是最后一个G可以代换成T、A或C。
第三个字母的随机性暗示了一些有趣的事情。二联密码可以编码16种氨基酸。如果我们从20个氨基酸里拿掉5个结构最复杂的（剩下15个氨基酸，再加上一个终止密码子）这样前两个字母与这15个氨基酸特性之间的关联就更明显了。因此，最原始的密码可能只是二联密码，后来才靠“密码子捕捉”的方式成为三联密码，也就是各氨基酸彼此竞争第三个字母。
第一个字母和氨基酸前体之间的关系直截了当，第二个字母和氨基酸的疏水性相关，第三个字母可以随机选择。这套密码系统除了可以忍受突变，还可以降低灾难发生时造成的损失，同时可以加快进化的脚步。因为如果突变不是灾难性的，那应该会带来更多的好处。
用了万能酶，苯甲醇合成终于“绿了”
■记者 李晨
化妆品、药品、化学品等工业制备中有一种重要的中间体，就是苯甲醇。传统用化学法生成苯甲醇的工艺过程繁琐，且会生成大量污染环境的副产物。苯甲醇能否实现绿色高效生产，一直是工业界和学术界共同关注的问题。
湖北大学生命科学学院、省部共建生物催化与酶工程国家重点实验室教授李爱涛、陈纯琪和郭瑞庭团队合作，成功解决了这一难题。他们首次解析了万能酶——细胞色素P450tol及其复合体晶体结构，并基于此构建了一种活性和稳定性均明显提升的人工融合酶，实现了苯甲醇的高效绿色合成。相关研究成果2月14日在线发表于《美国化学会志—催化》，并被选为封面文章。
万能酶P450的神奇定向进化
论文通讯作者李爱涛告诉《中国科学报》，苯甲醇工业生产采取两步法，以甲苯为原料，用剧毒的氯气和强碱氢氧化钠，才能实现甲苯中惰性C-H键的官能团化，制备出苯甲醇。
“C-H键具有较高的解离能、较高的热力学稳定性和较低的化学反应性，因此，C-H键官能团化是传统化学合成中一个极大的难题。”李爱涛说。
能不能找到一种办法，将甲苯绿色高效地转化为苯甲醇呢？李爱涛及其团队想到了酶这种地球生命中最强大的化学工具。
通过理性设计和定向进化手段，酶展现出在生物催化领域的强大功能。其中，细胞色素P450酶能够识别多种参与生化反应的物质（即底物），利用基因工程改造P450酶来量身定制化学反应，成为一个热门研究方向。2018年诺贝尔化学奖得主阿诺德，就是利用P450酶的定向进化实现了各种特殊的化学反应而获奖。
在前期研究中，李爱涛从甲苯降解菌中鉴定出一种特殊的P450酶，命名为P450tol。它以甲苯为底物，生成专一的产物苯甲醇。这是迄今发现的唯一可以天然催化甲苯生成苯甲醇的酶。然而，P450tol三维结构信息的缺乏，限制了针对P450tol的基础研究与未来的应用。
揭开特殊P450酶的神秘面纱
改造高效的P450tol，必须先揭开酶结构的面纱。
2020年5月，郭瑞庭团队在世界上首次解析了一种自给自足P450酶的全长晶体结构，获得了广泛关注。为此，李爱涛团队和郭瑞庭团队展开了合作。郭瑞庭说，这次合作解开了P450tol的结构谜团。
在这项研究中，郭瑞庭、陈纯琪团队顺利解析了P450tol的空结构及其与底物甲苯及产物苯甲醇的复合体结构。通过这些结构信息，精准揭示了P450tol由甲苯通过一步反应生成苯甲醇且没有副产物生成的酶结构与催化机制。
陈纯琪告诉《中国科学报》，P450酶的活性区都会带一个血红素分子参与催化反应，这次解析的P450tol也不例外。底物甲苯位于由一系列疏水的氨基酸组成的口袋中，甲苯的甲基朝向血红素中心的铁离子，两个氨基酸分别位于底物的两侧，牢牢钳住了甲苯的苯环，甲苯前方还有一个氨基酸负责固定整个甲苯的位置。
“这样，催化反应发生时就可以精确地发生在苄基位，而不是其他任意的位置。如此精巧的反应也只有酶可以做到。”陈纯琪说。
他们在P450tol与苯甲醇的复合体结构中看到了类似的现象，只不过苯甲醇的羟基代替甲苯的甲基朝向血红素中心的铁离子。
“我们还观察到了一个非常有意思的现象，甲苯或苯甲醇并不能将P450tol的活性区完全占据，还有一些多余的空间，所以我们猜测P450tol或许可以结合比甲苯或苯甲醇更大一些的底物。”陈纯琪说。
进一步实验结果与推测的一致，P450tol也可以与一些卤代甲苯形成复合体，且可以精确地在苄基位发生羟基化反应。
所有这些结果显示，底物会以有利于反应发生的方式结合并参与反应，这也使酶的反应更精准而高效。
人工融合酶催化苯甲醇绿色合成
李爱涛告诉记者，自然界中大部分P450酶都需要一个能够与之匹配的还原酶来提供电子以发生催化反应，这对于后续应用是一个难题。
为了实现工业应用，寻找天然的自给自足型P450酶或者索性构建高效的自给自足型P450人工融合酶，成为科研工作者关注的焦点。
“2020年5月郭瑞庭团队解析了自给自足型P450酶（CYP116B46）的全长晶体结构，给我们构建自给自足型人工融合酶带来了非常大的启发。”李爱涛说，他们将P450tol和CYP116B46的还原酶结构域融合，构建出一个新的自给自足型人工融合酶。
新的酶不论在酶活性、稳定性还是半衰期方面，都获得了很大的提升，且两种融合酶具有相似的底物亲和力。
“目前，P450tol和CYP116B46的融合是世界上首例报道的稳定性和活性均大幅提升的人工融合酶，有望应用于实际的工业生产中。”李爱涛说，最近已经有企业向他们伸出了橄榄枝，表示对该项技术很感兴趣，有意向进行下一步研发或中试。
“不仅如此，P450tol-CYP116B46还可以催化丙基苯，形成羟基化产物，其中有些是非常重要的药物中间体。”李爱涛说，基于P450tol的三维结构，他们使用蛋白质工程的手段理性设计和改造，使其反应更多地朝对人类有益的方向发生。
3位审稿人在审稿意见中都赞同该文利用酶的生物催化来准确生成苯甲醇，还指出作者构建了非常稳定的人工融合酶，将来应用到绿色生物催化制程中，具有非常大的潜力。
“随着结构生物学、人工智能、酶定向进化等领域的发展，通过理性设计和改造，获得更多新的、具有重要功能的酶造福人类，将是一个重要的研究和发展方向。我们将继续致力于构建更多P450tol人工融合酶，期待得到更具挑战的、反应和性能获得极大提升的新酶。”郭瑞庭说。
来源： 中国科学报
用了万能酶，苯甲醇合成终于“绿了”
《原清华大学生物学教授颜宁在科学技术实验上的探索与创新》
1996年-2000年清华大学生物科学与技术系学士；
2000年-2004年美国普林斯顿大学分子生物学系，博士，导师为结构生物学家、清华大学教授、中国科学院院士、欧洲分子生物学学会外籍会士、美国国家科学院外籍院士、美国人文与科学院外籍院士施一公；
2005年-2007年 美国普林斯顿大学分子生物学系从事博士后研究；
2007年-至今清华大学教授、博士生导师；
2017年5月7日从清华大学证实，颜宁已接受美国普林斯顿大学邀请，受聘该校分子生物学系雪莉·蒂尔曼终身讲席教授的职位。
研究方向
人类基因组中编码蛋白的所有基因约有30%编码膜蛋白。
膜蛋白在一切生命过程中起着关键作用，具有重要的生理功能。FDA批准上市的药物中,约50%的作用靶点为膜蛋白。
因此，对膜蛋白结构与功能的研究具有极高的生物学意义及医药应用前景。
转运蛋白（transport proteins）是膜蛋白的一大类，介导生物膜内外的化学物质以及信号交换。脂质双分子层在细胞或细胞器周围形成了一道疏水屏障， 将其与周围环境隔绝起来。
尽管有一些小分子可以直接渗透通过膜，但是大部分的亲水性化合物，如糖，氨基酸，离子，药物等等，都需要特异的转运蛋白的帮助来通过疏水屏障。
因此，转运蛋白在营养物质摄取，代谢产物释放以及信号转导等广泛的细胞活动中起着重要的作用。
大量疾病都与膜转运蛋白功能失常有关，转运蛋白是诸如抗抑郁剂，抗酸剂等大量药物的直接靶点。
研究主要集中在次级主动运输蛋白的工作机理上。
交替通路模型，被用来解释转运蛋白的工作机理，在这个模型中，转运蛋白至少采取两种构象来进行底物的装载及卸载：
一种向膜外开放，一种向膜内开放。有许多结构和生物物理学证据支持这个模型。
但是，仍有两个最有趣的基本问题没有解决。
第一，主动运输的能量偶联机制是什么？
第二，在转运过程中，是什么因素触发了转运蛋白的构象变化？使用基于结构的研究手段对次级主动运输蛋白进行研究，以期解决转运蛋白工作机理中的基本问题。
主要成就
2014年，颜宁率领的团队在世界上首次解析了人源葡萄糖转运蛋白GLUT1的三维晶体结构。
2015年进一步获得了具备更多构象的GLUT3结合底物和抑制剂的超高分辨率结构，从而清晰揭示了葡萄糖跨膜转运这一基本细胞过程的分子基础。
此外，她还对离子通道结构生物学领域做出重要贡献，解析了电压门控钠离子通道的晶体结构，最近又利用最新冷冻电镜技术获得了最大钙离子通道RyR1的高分辨率结构。
2015年进一步获得了具备更多构象的GLUT3结合底物和抑制剂的超高分辨率结构，从而清晰揭示了葡萄糖跨膜转运这一基本细胞过程的分子基础。
2016年9月-Science-关闭及开放构象的RyR2
2016年9月，颜宁教授研究组与加拿大卡尔加里大学陈穗荣研究组合作在《Science》（DOI:10.1126/science.aah5324）发表研究长文，揭示了已知分子量最大的离子通道Ryanodine受体RyR2亚型处于关闭和开放两种状态的三维电镜结构，探讨了RyR2的门控机制。
通过比较关闭和开放状态的两个结构，发现位于穿膜区域负责通透离子的通道有明显的变化：
在开放构象中，该通道发生扩张，从而使得钙离子能够顺利地从肌质网内部转移到细胞质中。通过对RyR2中每个相对独立的结构域的仔细比较和分析，认为中心结构域极有可能是引发RyR开放的关键，这一发现与之前有关RyR的功能研究结论相吻合。
另外，研究组还获得了分辨率为5.7埃的RyR1开放构象结构，并基于结构比对，初步分析了RyR1的门控机理，有关RyR1的成果已分别发表在《Nature》（Doi:10.1038/nature14063）和《Cell Research》（Doi:10.1038/cr.2016.89）上，有关Cav1.1的论文已分别发表于《Science》（DOI: 10.1126/science.aad2395）和《Nature》（Doi:10.1038/nature19321）杂志上。上述研究与最新的这篇研究论文极大地促进了人们对于兴奋-收缩偶联的理解。
2017年2月，真核生物电压门控钠离子通道的拓扑图和三维电镜结构
2017年2月，颜宁教授研究组在《科学》（Science, DOI: 10.1126/science.aal4326）在线发表了题为“Structure of a eukaryotic voltage-gated sodium channel at near atomic resolution”的研究长文，在世界上首次报道了真核生物电压门控钠离子通道。
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