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近日，西湖大学理学院叶宇轩课题组在Nature Chemistry发文，他们成功解锁了烯还原酶的全新非天然去饱和化反应性，把它们从还原酶改造成为了去饱和化酶……
不对，今天不这么讲故事。今天，把舞台还给元素，请宇宙精灵们本色出演一场四幕剧，那些本属于自己的童话。
好，重来。
—四幕剧—
第一幕：面试
第二幕：牧场
第三幕：演化
第四幕：还乡
（也可以点击文末阅读原文看专业版）
实验室一角：黄色的烯还原酶
白色房间里，所有人都在等着烯还原酶。
这是一场面试，等候在白色长桌边的是叶宇轩团队，是他们发出了邀约。
烯还原酶到了，闪动着落日余晖般的透明光彩，但很难描述她的形貌。至少，她并不是球和棍搭建的模型，那只是为了理解而构造的。量子世界，并不是宏观世界的缩小版。
“你们好呀，人类。”她语气轻柔。
所有人都站起来，抬头仰望这一奇观，白色房间大得出奇，足以装下想象。
她是一个由300多个氨基酸构成的巨人。氨基酸是一种有机小分子，以碳作为骨架，结合氮、氢、氧，偶尔有硫，生命中只有20种氨基酸，它们用肽键连接，再折叠形成了姿态万千的生命基石——蛋白质。
酶也是一种蛋白质。水分子的分子量是18，一个烯还原酶的分子量大概在37000，一叶轻舟和万吨巨轮的差别。
艺术插画：
烯还原酶的蛋白晶体结构图，蛋白质的折叠千姿百态，或螺旋，或扁平
以苯环经典结构为例，六个碳之间单双键交替，以及两种简化后的画法。这个分子式，曾引出那个蛇头尾相咬的梦中故事。但其实，苯环远非单双键交替就可以描述的，这只是简化后的模型。（图：小编自己画的，C代表碳，H代表氢，-代表单键，=代表双键）
叶宇轩在实验室。
玻璃器皿是一个巨大的牧场，大肠杆菌是人类圈养的生物。
在电动摇床的日夜震荡之中，大肠杆菌按照给定的DNA序列，勤恳地制造出各种蛋白质。
这背后是一套生命底层的编码和解码系统，从基因到蛋白质，我们称之为中心法则，细胞根据DNA序列，翻译出蛋白质。人类利用中心法则，“诱骗”大肠杆菌翻译外来的基因片段。
再来看“简历”上神秘的氨基酸序列：
MALLFTPLELGGLRLKNRLAMSPMCQYSATLEGEVTDWHLLHYPTRALGGVGLILVEATAVEPLGRISPYDLGIWSEDHLPGLKELARRIREAGAVPGIQLAHAGRKAGTARPWEGGKPLGWRVVGPSPIPFDEGYPVPEPLDEAGMERILQAFVEGARRALRAGFQVIELHMAHGYLLSSFLSPLSNQRTDAYGGSLENRMRFPLQVAQAVREVVPRELPLFVRVSATDWGEGGWSLEDTLAFARRLKELGVDLLDCSSGGVVLRVRIPLAPGFQVPFADAVRKRVGLRTGAVGLITTPEQAETLLQAGSADLVLLGRVLLRDPYFPLRAAKALGVAPEVPPQYQRGF
每一个字母代表一个氨基酸，比如第一个字母M代表甲硫氨酸，349个字母，就是349个氨基酸的连接和折叠。
只是这20个字母，编写了生命天书，堪称奇迹，就好比莎士比亚也只用了26个英文字母写出了伟大的作品。
在这套编码系统中，每个氨基酸序列又可以对应到DNA序列中的三个碱基，如此，叶宇轩团队就可以在大肠杆菌中将烯还原酶生产出来，他们一共挑选20多种烯还原酶进入“初试”。
一场“入职培训”即将开始。
这是计划版图的一端，另一端，是他们盯上的烯酮类化合物，这种化合物在制药、农药和材料等领域都有重要作用。
来看分子图，烯酮最顶上的碳和氧形成一个双键，酮，指的是碳氧双键，右侧两个碳形成一个双键，底下的碳可以“外挂”两个取代基团，像两只脚，形同一个“兵”字。但正是由于双键的出现，让烯酮有了手性。就好像皮卡丘，走起路来，有了皮卡乒，也有了皮卡乓——开个玩笑。
左边是需要合成的烯酮分子，想象一下它右侧的镜像体，已经无法和左边重合，就好像你的双手。（图：Tiny ）
为了脱氢得到烯酮，之前的化学家想了很多催化办法，但是要么需要多步合成，要么需要强氧化性条件下，或者需要大量的金属催化剂，这些并不环保，另外普适性也不强。
如何打造一个更普适的烯酮催化体系，叶宇轩团队的方案专注于自然界的酶，而思路同样师法自然。
有机分子模型，即便38亿年也无法穷尽一个蛋白质的排列组合。
在开头的面试中，叶宇轩心里清楚，虽然烯还原酶的本性是喜欢拆除碳碳双键，但是！但是！但是！化学反应微观可逆，反应物和生成物之间的转化过程是可逆的！
化学反应不是一条单向街，就好像，如果能把一个灯泡拧下来，那也懂得把它拧上去。
事实上，烯还原酶也可以把饱和的碳碳单键变成不饱和双键，只是天然状态下这个过程并不明显。
在20多种进入初试的烯还原酶中，有两种在最初的测试中脱颖而出，即便不加改造，他们已经表现出一定的去饱和能力，并且随着温度的升高，能力还在提高。这两位进入第二轮面试的编号分别是：
CrS 和 GkOYE。
亿万年的进化，酶庞大的身躯宛如柔软的舞者，妖娆多姿，擅长把被催化的分子拥入怀中。这也让他们能够精确控制产物分子的空间构象，也就是分子手性。伸出自己的双手就很好理解，它们镜相对称却无法重合。分子手性对生命至关重要，同样的分子，如果手性不同，作用会完全不同。
这，就是人类梦“酶”以求的催化剂，高效、专一、还能控制产物分子的手性。这种能力是亿万年的演化使然，酶的序列不断变化调整，大自然筛选出其中最杰出的代表。
那么同样，人类也可以在实验室里利用这一机制，人为改变氨基酸序列，然后，通过大量的测试，来筛选出我们想要的变种。或者说，人，在扮演大自然的角色，以及，人，给酶的演化按下了加速键。
这被称为定向进化，在2018年获得了诺贝尔奖时，被评选人称为：
试管中的达尔文主义。
不过，科学家并不会盲目修改，叶宇轩团队深知关键的序列，每次改写一个位点，逐步测试，步步为营。他们最终收获了多个有益的突变体，其中GkOYE系列经历了三轮进化，去饱和催化效率达到了96%。
仿佛经历了三重门，已然脱胎换骨。
这些突变体构成了一整套去饱和催化体系，实验证明可以应用于55种不同的分子。其实349个氨基酸序列，意味着20的349次方种可能，这是一个远超天文数字的概念，比宇宙间的原子数还多，那大概是4乘以10的80次方。
38亿年太短，唯有演化只争朝夕。
叶宇轩实验室一角。
“你好美啊。”烯还原酶看到玻璃器皿中的硅酸盐，如此说。
“是生命。”硅酸盐流露出一丝落寞。
硅元素同样是最外层四个价电子，但是因为一些差异，地球上出现的是碳基生命，而非硅基生命。硅，这种地球上第二大元素，常常和第一大元素氧结合，成为了石头的一种成分。
“不要难过呀，你可以看到最细微和最遥远的，从显微镜到望远镜。还有，硅基芯片已经开始模拟神经网络，也许，我们还会再相遇。”烯还原酶轻声安慰。
是的，再相遇。
无论是碳还是硅，都是在恒星里练就的，那是远超化学反应的炽热。大爆炸之后，宇宙逐渐告别混沌期，在最初的恒星里，以氢的核聚变为燃料，继续制造基本元素。所以，构成你我的，无非是创世的遗迹，以及恒星的碎片。
在一片混沌和通透中，烯还原酶很快遇见了要催化的分子。
如同一个久违的拥抱，她用一只手轻轻取下对方一个的质子。这个挂在碳上的质子，就是氢原子失去电子的样子，呈现电正性。
与此同时，烯还原酶又拿出了她的珍藏已久的宝物，维生素B2。这是她演化路上升级打怪捡到的装备，又形同科幻，维生素B2就好像是酶给自己安装上的机械手臂，如此赛博朋克。
维生素B2又取走了连接在相邻碳上的氢，这个氢带有两个电子，呈现电负性。
此时，相邻的两个碳，一个失去氢正，一个失去氢负，接下来等待他们的，是多一个碳碳相连，从单键变成双键。
相比之下，人类的催化剂堪称暴力，但烯还原酶的温柔一抱，一切释然了。专业上的说法，是因为酶有多个位点可以活化目标分子，降低反应所需要的能量。
现在，一个氢正，一个氢负，即将迎接他们的，是空气里的氧气。
氧，一生极度活泼，到处寻找电子。地球上最早的微生物，其实是被氧气掠杀殆尽。但生命演化又来了一个反手，利用起氧气，形成一种更高效的能量获取机制。
烯还原酶在维生素B2的配合下，拉入氧气，产生了最终的产物，就是双氧水H₂O₂。至此，这个反应已经不可逆转。
“再见了，氧和氢。”烯还原酶道别。
双氧水并非旅途终点，一旦条件允许，双氧水会变成水分子和氧气。极度渴求电子的氧气，又会到处去氧化别人，而水分子如果足够巧合，例如被电解，就会释放出氢气，如果又足够巧合，氢气通过大气层逃逸向宇宙原乡，那正是来时之路。
而面对孤独的质子，烯还原酶想起了生命往事，元素们最终选择走在一起，行动一致开启了生命演化，这已足够奇迹。
烯还原酶催化去饱和反应示意图，R1和R2代表连接在碳上的基团，催化后的产物烯酮分子出现了手性。
烯还原酶催化去饱和反应更具体的过程机理图。
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