弄清楚蛋白质或酶的工作原理，并了解基因突变如何影响这些对生命至关重要的分子，通常需要数年时间。研究人员必须一个一个地改变数百个分子的氨基酸构建块，在实验室中产生每种突变的酶，并测试每种突变如何影响酶执行其工作的能力。

现在，通过允许研究人员一次测试一千多个突变，蚀刻有微小通道的玻璃芯片可以将时间缩短到仅仅几个小时。 7 月 22 日发表在《科学》杂志上的一篇论文1描述了称为高通量微流体酶动力学 (HT-MEK) 的新系统如何为科学家提供一种更快的方法来研究致病蛋白质、开发分解环境毒素的酶并了解不同物种之间的进化关系。

为了开发 HT-MEK，加利福尼亚州斯坦福大学的生物工程师 Polly Fordyce 和生物化学家 Daniel Herschlag 以及他们的同事工作了六年，最终得到了一个 7 厘米2大小的10 美元芯片。该芯片包含 1,568 个小孔，每个孔都可以包含一个突变版本的酶，以及一个微流体系统，可以同时向所有突变体输送试剂。

为了测试该系统，Fordyce 和 Herschlag 选择了一种称为 PafA 的细菌酶，该酶参与修饰其他蛋白质。他们通过设计 DNA 序列创建了一个不同突变酶的“库”，其中 PafA 的 526 个氨基酸中的每一个都被替换为不同的氨基酸。机器人将这些 DNA 序列放入芯片上的各个孔中，然后添加允许产生蛋白质的试剂。然后芯片添加了一种化学物质，当它被 PafA 处理时会发光。扫描仪测量了化学物质发出的光量：使 PafA 效率降低的突变使酶产生的光量减少。

该平台不是简单地告诉研究人员实验是否有效，而是让他们检查每种突变酶进行反应的速度，并确定化学物质或 pH 值的变化如何影响酶的折叠和功能方式。“这就像能够揭开蛋白质的盖子，看看里面，看到一幅建筑图纸，”福代斯说。

认识邻居

因为它可以一次筛选如此多的突变体，该系统可以让研究人员超越活性位点的突变——实际上执行其主要功能并且通常吸引最多研究注意力的酶的一部分。例如，其他区域的突变可能仍会通过改变酶折叠或与其他蛋白质结合的方式来影响酶的功能。 HT-MEK 在 PafA 上确定了 161 个这样的站点。 Herschlag 说，这些突变的影响程度令人惊讶，他花了多年时间研究这种酶。 “就好像你真的很了解你住的社区，但你永远不会离开，”他说。 “你意识到有所有这些不同的社区和所有这些不同的影响。”

他和 Fordyce 说，能够识别这些远距离突变的功能可能使研究人员能够瞄准被认为“不可成药”的酶，因为它们的活性位点在结构上与其他健康酶的结构相似。例如，弄清楚哪些额外的区域有助于致癌酶的功能，可能会导致开发针对这些区域的药物。

“这是一项令人印象深刻的大量工作，”西雅图华盛顿大学的蛋白质科学家道格拉斯福勒说。“看到这项技术的发展方向会令人兴奋，这里的规模扩大非常令人印象深刻。” 他预计 HT-MEK 将使许多任务变得更容易和更快，但该系统是否能像对 PafA 一样适用于所有类型的酶还有待观察。

尽管构建 HT-MEK 系统的说明已在线发布2，但 Fordyce 和 Herschlag 希望创建一个中心，研究人员可以在那里测试他们感兴趣的酶。 Herschlag 说，他对了解如何实现的潜力感到特别兴奋某些基因突变会导致疾病，以及药物如何靶向这些突变酶。他说，如果研究人员能够更快地分析这些突变的功能，“我们将创造从分子变化到最终预测疾病结果所需的知识”。