愚蠢的设计师

( 马纳吉特·海耶-哈特（左九）和她领导的研究小组 )

世界上最重要的酶是哪个？答案肯定是1,5-二磷酸核酮糖羧化酶/加氧酶（Ribulose 1,5-bisphosphate carboxylase/oxygenase，英文简称Rubisco）。此酶没有合适的中文译名，姑且简称它为“加氧酶”吧。加氧酶负责催化光合作用中最重要的一步，就是把空气中的二氧化碳（无机碳）固定成有机碳。也就是说，地球上所有生命几乎都来自加氧酶的催化，它的重要性无论怎么强调都不会过分。

加氧酶是生物界有名的刺儿头，研究起来非常困难，主要原因在于它是由8个氨基酸长链和8个氨基酸短链按照特定方式组合成的一个庞大的聚合体，但如果把这两种氨基酸链条简单混合，它们会各自黏在一起，大找大，小找小，很难说服它们按规矩组成具有功能的三维结构。事实上，加氧酶是少数几种至今仍然没有在试管里组装成功的蛋白质之一，做不到这一点，科学家就必须在活细胞里研究加氧酶，难度大大增加。

30年前，科学家发现了刺儿头的秘密。原来，加氧酶的组装需要依靠叶绿体里的一类特殊蛋白质的帮助才能完成，他们把这种蛋白质取名为伴侣素（Chaperonin），意思是说这种蛋白质好像是旧时陪伴少女出席社交场合的成年女伴，有她们在，少女们就不会感到害羞了。

后续研究发现，很多蛋白质的合成都需要伴侣素，而加氧酶的伴侣素不止一种，组装过程非常复杂，其细节至今仍然没有完全搞清。今年1月14日出版的《自然》（Nature）杂志上刊登了德国马克斯·普朗克生化研究所的马纳吉特·海耶-哈特（Manajit Hayer-Hartl）博士和她领导的研究小组发表的一篇论文，研究人员设计了一种包含两种伴侣素的配方，第一次把人工组装加氧酶的活性提高到了正常水平的40%左右。别小看这个进步，这就足以让科学家们能够在试管里筛选加氧酶的突变基因型，此前这种筛选只能在细胞里进行，变数太大，很难找出具有更高活性的加氧酶来。

科学家们为什么要进行这种筛选呢？原来，固碳是整个光合作用中速度最慢的一步，如果能提高加氧酶的活性，就能提高光合作用的效率，不但能增加粮食产量，还能减少空气中的二氧化碳，解决全球气候变化的难题。

也许有人要问，难道如此重要的一种酶，又经过了亿万年的进化，居然还有改进的空间吗？人类也太小瞧大自然的力量了吧？没错，加氧酶恰恰是自然界效率最低的酶之一，平均每秒钟只能催化3?10个二氧化碳分子。相比之下，绝大多数生物酶每秒钟都至少能催化1000次生化反应。

另外，从加氧酶那个古怪的全称就可以看出，此酶可以催化两种不同的生化反应。催化二氧化碳反应时叫做“羧化酶”，催化氧气反应时叫做“加氧酶”。两种反应互为竞争关系，也就是说此酶在固碳的同时还能和氧气分子发生反应，产生二氧化碳，后者就是所有植物都具备的“光呼吸”。问题在于，光呼吸正好是光合作用的逆过程，光合作用固定下来的碳最多会有25%又被光呼吸作用白白消耗掉了，从催化效率的角度看，这种酶的设计简直是愚蠢到家了。当年钱学森就是因为没有认识到加氧酶的低效率，仅仅计算了太阳光的总能量，便提出了那个著名的“亩产万斤”的口号。

从分子水平上看，二氧化碳和氧气差别不大，确实不太容易区分。但生物界很容易找到将两者区分得很清楚的酶，比如血红蛋白。通常情况下血红蛋白只和氧气结合，二氧化碳因为体积稍大而被排除在外。加氧酶却令人惊讶地没能区分出两者在体积上的差别，于是此酶既能接收二氧化碳，又能接收氧气，两种底物分子相互竞争，白白浪费了资源。

为了弥补催化效率上的缺陷，植物就必须大量生产加氧酶才能满足自身的需要。叶绿体蛋白质中有大约一半都是加氧酶，考虑到自然界中绿色植物的庞大数量，加氧酶几乎可以肯定是大自然当中储量最多的生物酶。这其实不是什么好事，它恰恰从另一个方面说明加氧酶的效率实在是太低了。

为什么会是这样呢？这就要从历史中找原因。因为加氧酶的催化功能如此重要，科学家相信此酶是地球上最先进化出来的酶之一。考古证明，几十亿年前的地球大气中几乎不含氧气，而是含有大量的二氧化碳。于是，早期的加氧酶根本不需要考虑氧气的竞争，而二氧化碳底物的浓度又是如此之大，以至于加氧酶也不必考虑催化效率问题。

但是，随着植物越来越多，二氧化碳逐渐被消耗殆尽，其浓度降到了目前的0.03%左右。而氧气的含量日渐增多，目前已经达到了21%左右，比二氧化碳浓度高3个数量级。但是这个转变是逐渐发生的，于是加氧酶不断通过小修小补来适应这一变化，久而久之就变成了现在这种补丁摞补丁的模样，而不是干脆换条新裤子。

加氧酶的这种特性，正好说明大自然并不是完美无缺的。现代科学的进步使人类能够认识到大自然的不足之处，并采取针对性的措施去修正它。■

（文 / 袁越） 愚蠢设计师