诺贝尔奖背后的科学：限制酶如何改变世界？

诺贝尔奖背后的科学：限制酶如何改变世界？

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来源

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https://news.sciencenet.cn/htmlnews/2025/1/538001.shtm

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http://sh.people.com.cn/n2/2024/1101/c134768-41028026.html

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https://m.book118.com/html/2025/0111/5302322021012031.shtm

1978年，诺贝尔生理学或医学奖授予了三位科学家——瑞士遗传学家沃纳·亚伯（Werner Arber）、美国生物学家汉弥尔顿·史密斯（Hamilton Smith）和丹尼尔·那森斯（Daniel Nathans），以表彰他们发现限制性内切酶及其在分子遗传学中的应用。这一发现不仅揭示了细菌防御外源DNA入侵的机制，更为人类开启了基因工程的大门。

20世纪60年代，科学家们发现某些噬菌体（在细菌内寄生的病毒）侵染特定细菌后，其增殖会受到“限制”。这一现象引起了瑞士遗传学家沃纳·亚伯的注意。1962年起，亚伯课题组发表了一系列论文，提出细菌中存在一种“限制-修饰”系统：一种酶能够降解外来噬菌体的DNA，而细菌自身的DNA则通过甲基化修饰得到保护。

在美国，汉弥尔顿·史密斯也在研究中发现了类似现象。1970年，史密斯课题组从流感嗜血杆菌中分离纯化到了限制酶HindII，这是第一种被纯化的限制酶。几乎与此同时，史密斯的同事丹尼尔·那森斯正在为如何将病毒DNA切割成片段而困扰。当史密斯告诉他发现了一种可以在特定位置切割DNA的酶时，那森斯立即意识到这将是一个重大突破。

1971年，那森斯使用限制酶将SV40病毒DNA切割成11个特定片段，这是人类首次实现对DNA的精确切割。1973年，他又用三种限制酶切割SV40病毒基因组DNA，成功绘制出首个基因组物理图谱。这一系列发现标志着基因工程技术的诞生。

限制酶，全称限制性核酸内切酶，是一种能够识别并切割双链DNA特定序列的酶。其作用机制主要包括以下几个关键点：

1. 特异性识别：限制酶能识别DNA上的特定核苷酸序列，这些序列通常为4-8个碱基对组成的回文结构。

2. 磷酸二酯键断裂：一旦识别到目标序列，限制酶会在特定位置切断DNA双链中的磷酸二酯键，从而将DNA分子分开。

3. 产生末端类型：

   • 黏性末端：部分限制酶在非对称位置切割两条链，形成具有互补单链突出的末端。
   • 平末端：另一些限制酶在对称位置切割，产生无突出的平整末端。

根据结构和作用方式，限制酶分为三类：

• I型：同时具备修饰（甲基化）和切割功能，但切割位点距离识别位点较远。
• II型：仅负责切割，识别短回文序列并在该处剪切，是基因工程中最常用的类型。
• III型：结合了修饰和切割功能，识别不对称序列，并在固定距离处切割。

限制酶在基因工程中的应用，如同外科医生手中的手术刀，能够实现对DNA的精确操作。以基因克隆为例，科学家可以使用限制酶将目标基因从供体DNA中切割出来，然后将这段基因插入到载体DNA（如质粒）中，形成重组DNA分子。这个过程类似于将一段文字从一本书中剪切下来，然后粘贴到另一本书中。

限制酶的发现和应用，使得人类能够对基因进行各种编辑操作，包括剪切、组合、替换等。这些操作不仅帮助科学家们深入理解基因的功能和调控机制，更为基因治疗、生物制药、农作物改良等领域提供了强大的工具。

限制酶的发现不仅在学术界引起轰动，也迅速推动了相关产业的发展。1974年，美国科学家唐纳德·康布（Donald Comb）创立了New England Biolabs（NEB）公司，这是全球第一家专注于限制酶商业化的公司。1975年，NEB推出了首批包含18个限制酶的产品，第一年就实现了20万美元的销售收入。

在NEB发展历程中，理查德·罗伯茨（Richard Roberts）发挥了重要作用。他建立了第一个限制酶数据库REBASE，并由NEB维护至今。1993年，罗伯茨因发现断裂基因而获得诺贝尔生理或医学奖。

与此同时，苏联也在积极发展酶工业。立陶宛酶工厂于1970年建成，1975年成功研发出苏联的第一个限制酶。1990年，立陶宛独立后，Arvydas Janulaitis等人成立了MBI Fermentas，成为世界第二大限制酶供应商。

目前，全球已发现4000多种限制酶，其中约400种形成了商业化产品。限制酶的商业化发展，极大地推动了分子生物学和基因工程研究的进展。

进入21世纪，限制酶的研究仍在不断进步。2025年1月，上海交通大学团队在《细胞》（Cell）杂志上发表重要研究成果，开发出人工多酶复合体理性设计工具iMARS，解决了50多年来多酶组装无标准的难题。

研究团队通过高通量测试及空间结构预测，解析了人工多酶复合体的空间构效关系，发现融合酶的空间距离和通道角度是影响催化效率的关键因素。基于此，他们开发的iMARS工具内置上千种不同性质的linker数据库，通过ParaFold进行高通量蛋白质结构预测，并基于分子对接和CAVER等工具进行计算和DO Score打分筛选，实现从氨基酸序列到人工多酶复合体相对活性的快速预测。

在实际应用中，研究团队在白藜芦醇、香兰素和麦角硫因等化合物的生物合成以及PET塑料的生物降解中验证了iMARS方法的设计能力。其中，设计的最佳融合酶使工程大肠杆菌白藜芦醇产量提升了45.1倍，并在酿酒酵母和蓝藻中也展现出良好的应用效果。这一突破性进展标志着多酶组装从依赖实验试错法迈向理性设计的新纪元，将为医药、食品和工业等领域带来深远影响。

从1960年代的偶然发现，到如今成为基因工程不可或缺的工具，限制酶的发展历程见证了人类对生命科学的不断探索。随着技术的不断进步，限制酶将在更多领域展现出其独特价值，为人类带来更多的惊喜和突破。