“超乎想象！”《自然》（Nature）審稿人在論文評(píng)審意見中說。

中國(guó)科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所研究員高書山告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》：“他們（指審稿人）大概都覺得太顛覆了，給我們的評(píng)審意見都是這樣的調(diào)調(diào)：你這個(gè)文章很好啊，我再給你提一些建議，讓它變得更好！”

2024年大概是高書山與杭州師范大學(xué)教授郭瑞庭團(tuán)隊(duì)的幸運(yùn)年。從投稿《自然》到被接收，只用了100多天。而很多《自然》發(fā)表的論文，通常從投稿到接收需要一年甚至數(shù)年時(shí)間。

高書山是做麥角生物堿類藥物的生物合成機(jī)制研究工作的。這篇論文中發(fā)現(xiàn)的全新的氧氣激活方式堪稱改寫了教科書經(jīng)典理論，卻是他的科研副產(chǎn)物。這場(chǎng)轟轟烈烈、充滿精彩反轉(zhuǎn)的“酶學(xué)研究”持續(xù)了7年。2025年3月6日，《自然》在線發(fā)表了這一成果。

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意外之喜：“老虎”愛吃“草”

顧名思義，過氧化氫酶EasC的底物是過氧化氫，將其分解為水和氧氣，其對(duì)底物十分專一，“就像老虎只吃肉” 。而當(dāng)氧氣以底物的身份出現(xiàn)在過氧化氫酶的“食譜”里，對(duì)高書山來說是一個(gè)巨大的沖擊——“老虎什么時(shí)候開始吃草了？”

2017年，北京，高書山剛回國(guó)，麥角生物堿成為他研究的新起點(diǎn)。麥角生物堿在結(jié)構(gòu)上與人的大腦神經(jīng)遞質(zhì)受體具有相似性，能夠調(diào)控人的行為機(jī)制，引起人體肌肉收縮，甚至影響人的喜怒哀樂。它被用于治療孕婦大出血、帕金森病、偏頭痛等疾病。高書山團(tuán)隊(duì)主攻新藥研發(fā)，解析麥角生物堿的合成路徑是必經(jīng)環(huán)節(jié)。

高書山也沒想到，做著做著就有了意外之喜。

那年，高書山的團(tuán)隊(duì)開展標(biāo)記實(shí)驗(yàn)。他們先是像往常一樣，往過氧化氫酶的反應(yīng)體系里加過氧化氫，可反應(yīng)速度并沒有如預(yù)期那般加快。更加荒謬的是，即使不加過氧化氫，這種酶始終能夠在空氣中推動(dòng)反應(yīng)。他們猜測(cè)，難道氧氣也是它的底物？最終，氧18的喂養(yǎng)帶來產(chǎn)物分子量的增加，“老虎吃草”成了活生生的事實(shí)。

老虎吃肉、分解肉，這是一個(gè)完整順暢的過程。老虎吃草，又該咋分解草？從專業(yè)角度來說，氧氣是如何被激活的？

常規(guī)流程中，酶的結(jié)構(gòu)里含有一個(gè)小分子或金屬離子，金屬離子相當(dāng)于中介，可以從還原劑那里得到電子。將電子給氧氣，便于其結(jié)合到金屬離子上被自然激活。簡(jiǎn)單來說，激活的本質(zhì)在于還原反應(yīng)。2018年，承擔(dān)生化反應(yīng)的課題組成員姚永鵬卻傻了眼——整個(gè)反應(yīng)過程中，還原劑都派不上用場(chǎng)，簡(jiǎn)直“離了大譜”。既然如此，氧氣何以激活？

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荒誕的晶體結(jié)構(gòu)令人無法相信

投入多種還原劑、重復(fù)實(shí)驗(yàn)過程，一做就是兩三年，卻始終沒進(jìn)展。“這是實(shí)實(shí)在在做不下去了。”

就在走投無路的時(shí)候，高書山去拜訪了學(xué)術(shù)會(huì)議上認(rèn)識(shí)的郭瑞庭，提到了這個(gè)奇怪的酶。郭瑞庭做酶結(jié)構(gòu)解析已有幾十年，具有異常精準(zhǔn)的判斷力。他說，可以用冷凍電鏡技術(shù)試試看。這讓深耕機(jī)理研究的高書山看到了希望。在此之前，他已與多個(gè)單位進(jìn)行過結(jié)構(gòu)解析方面的合作，都未能如愿。

郭瑞庭說，解析酶與底物的復(fù)合體結(jié)構(gòu)有兩種方法。一個(gè)是X射線衍射晶體結(jié)構(gòu)分析，這對(duì)蛋白純化的蛋白體量是否足夠、是否能形成排列規(guī)則的晶體有相對(duì)嚴(yán)格的要求；另一個(gè)是單顆粒冷凍電鏡技術(shù)，雖在條件上相對(duì)寬松，但過氧化氫酶只有約90kD大小的酶分子處于電鏡技術(shù)的分辨率下限。兩種技術(shù)方式都不一定很適用。

“我們?cè)诎肽陜?nèi)嘗試晶體結(jié)構(gòu)解析技術(shù)，沒有得到好的結(jié)果。轉(zhuǎn)而采用電鏡后也需要反復(fù)調(diào)整樣品純度、濃度和緩沖液條件。”過程雖繁瑣，但一年后，郭瑞庭團(tuán)隊(duì)成功解析了麥角生物堿合成酶EasC與底物的電鏡結(jié)構(gòu)。“算得上十分順利。”他說。

然而，這一結(jié)果讓高書山不敢相信。在傳統(tǒng)認(rèn)知中，酶的催化中心通常與血紅素直接結(jié)合并進(jìn)行催化反應(yīng)。而麥角生物堿底物結(jié)合區(qū)位于獨(dú)立于血紅素結(jié)合區(qū)之外的一個(gè)區(qū)域。兩個(gè)區(qū)域相去甚遠(yuǎn)，在兩者之間建立關(guān)聯(lián)，如同在天津發(fā)工資、在北京干活兒一般，荒誕、反常，十分不合理。

郭瑞庭卻堅(jiān)信自己的結(jié)果肯定沒問題。與酶“交手”幾十年，郭瑞庭深知每個(gè)酶的結(jié)構(gòu)都有其最穩(wěn)定、最好的方式。這種新的結(jié)合模式或許有它自己的“用意”——原本能夠結(jié)合底物的血紅素附近的空間太小了，過氧化氫酶EasC在演化過程中無法直接結(jié)合較大的底物產(chǎn)生反應(yīng)，可能是那里的結(jié)構(gòu)限制了底物結(jié)合位的擴(kuò)大，所以逐漸往另一個(gè)空間去變形、另辟蹊徑。這一現(xiàn)象，是它走投無路下的必然“選擇”。

高書山又翻出來另外一個(gè)相似的酶，拿去讓郭瑞庭團(tuán)隊(duì)做結(jié)構(gòu)分析。“真的做出來了，那我就信！”

結(jié)果依舊如此，結(jié)合區(qū)也在“十萬八千里”之外。高書山?jīng)]有了繼續(xù)懷疑的底氣。他能做的只有搞清楚這顛覆教科書的結(jié)構(gòu)到底是怎么回事。

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陪老婆散步時(shí)的靈光一現(xiàn)

這么一尋思，又是一年。對(duì)高書山來說，“腦袋都要想破了”。

他在腦海里逐漸架構(gòu)起那列來往北京與天津的“高鐵”。山窮水盡處，高鐵終于“通車”了。

假期，高書山從天津回北京，陪老婆在朝陽公園散步。散步時(shí)老婆跟他聊孩子與家務(wù)。高書山人在，腦子卻不在線。多年前看過的一篇美國(guó)化學(xué)會(huì)的研究綜述，突然在他腦中閃現(xiàn)——文獻(xiàn)強(qiáng)調(diào)超氧陰離子可以在化學(xué)反應(yīng)中作為催化劑，參與多種反應(yīng)。

“這個(gè)超氧陰離子會(huì)不會(huì)在生物化學(xué)反應(yīng)中也存在？”他大膽猜測(cè)，并立馬拿出手機(jī)，安排學(xué)生設(shè)計(jì)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。

之后的進(jìn)展非常順利。他們證實(shí)，麥角生物堿底物可以直接提供電子，傳遞給過氧化氫酶EasC鐵離子結(jié)合口袋的Fe(III)，氧氣也的確能夠被激活形成超氧陰離子，進(jìn)而通過一個(gè)相當(dāng)狹窄的超氧陰離子傳遞通道輸送至麥角生物堿底物反應(yīng)位點(diǎn)。至此，一個(gè)全新的、不依賴輔酶-O的非典型氧氣激活途徑終于形成了邏輯上的閉環(huán)。

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“超乎想象”

郭瑞庭有過許多投稿經(jīng)驗(yàn)，有成功也有失敗，卻從來沒有見過編輯這樣積極。2024年8月28日當(dāng)天接到稿件，《自然》編輯隔天就找到了審稿人進(jìn)行審核。

10月1日，高書山接到反饋意見。三位審稿人一致同意接收，只提出補(bǔ)充數(shù)據(jù)、扎實(shí)證據(jù)的意見，希望文章變得更好。其中一位表示，這篇稿子讀來太令人“enjoy（享受）”，文中提到的非典型氧氣激活機(jī)制實(shí)在是“Beyond imagination（超乎想象）”。

12月16日，稿件得到了預(yù)接收，整個(gè)過程不過3個(gè)多月。

前期的沉淀足夠長(zhǎng)久，這份成果的“過于”順利也是意料之中。

郭瑞庭幾十年來解析過了幾百個(gè)酶的結(jié)構(gòu)，他早已有穩(wěn)定的認(rèn)知框架。對(duì)他來說，現(xiàn)在做研究更重視創(chuàng)意、有趣。假如過氧化氫酶EasC并沒有一反常態(tài)，也不能成為最令他印象深刻的存在。

研究者之間總是有著天然的共情。高書山很清楚，如果沒有結(jié)構(gòu)上的完整圖景，機(jī)理研究的許多工具便難以充分發(fā)力，更不要說如何將酶的機(jī)理一層一層往下深度剖析。

“京津來往的高鐵十分便利，但實(shí)際上，這份便利到處存在。”高書山重視研究的首創(chuàng)性，也對(duì)這一機(jī)制的普適性抱有期待。他覺得，當(dāng)這一演化機(jī)制被更多人了解，不僅對(duì)藥物合成的效率提升、新藥創(chuàng)制有利，還能通過改造酶，使其催化新的反應(yīng)，對(duì)生命科學(xué)也有所貢獻(xiàn)。

活性更好的麥角生物堿分子或許很快就會(huì)得到，但將其研發(fā)為新藥，不知還要經(jīng)歷幾個(gè)七年。

相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-025-08670-3

文中圖片均為受訪者提供