text_Hirokuni Kanki
photos_MOTOKO
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您手中的是什么模型？
五十岚教授
这是放大约1,600万倍的“纤维素酶”模型。下面这部分是纤维素。仔细看就会发现，葡萄糖（糖）是一个个连在接起来的，连得很长。
纤维素酶在纤维素上面一边移动一边刨削，我经常把它形容为，就像“用刨子刨木板”一样，不断将纤维素撕裂。
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在第7届“对话酶”活动中，终于看到小酶同学的“真人版”啦！跟图解不同，现在可谓是一目了然。
五十岚教授
让我们来看一下纤维素酶的内部，纤维素将从葡萄糖相连的地方一根根地被取出来，然后将葡萄糖一个个地撕下来取出，这便是发生反应时的情形。
酶的大小只有10纳米左右，我们称之为“纳米机器”，它们能从纤维素中拉出仅有0.5纳米左右的葡萄糖。即，数以亿计的酶分子在反应液中不断运转，将生物质逐渐转化为糖。
五十岚教授
人类能够制造出如此精密的纳米机器的时代会到来吗？努努力的话，或许我们可以通过化学手段制造出类似酶的东西。事实上，在2021年，诺贝尔化学奖就颁发给了一项“不对称有机催化剂”的研究。
不过，在我看来，那是生物已经在使用的酶，我认为，“因为是人工制造出来的，所以就被认为很厉害，那直接用生物岂不是更好”。如果要从零开始制造酶，人类瞬间就会举白旗。但如果是生物已经在使用的酶，人类也可以利用。我成为“酶粉儿”的原因就在于此。
关于地球上有多少种微生物这个问题，有一种说法是可达1万亿种。大自然利用原型（试做品）制作出如此多种多样的微生物，真是了不起。人类工业社会只会制造有意义的东西，但自然界在制造微生物时却从不在乎有没有意义。
五十岚教授
不管有没有意义，自然界都会不断地制造。大家刚刚在模型中看到的纤维素酶由两部分组成。首先一部分就像一个“传感器”，用来寻找纤维素。纤维素酶依靠这部分黏附到纤维素上，将其找出来。后面那部分会将纤维素“拉进来并切断”。也就是说，纤维素酶会一边寻找一边捕捉，紧抓不放地把纤维素拽过来，实在是一种非常厉害的机制。
五十岚教授
而且，它没有视觉，也没有嗅觉，也没有个人意志。它实际上就是一台仅依靠纯粹的化学反应运行的机器。
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人类想要制作出像酶那样的纳米机器有很多的困难，其中最大的困难是什么？
五十岚教授
化学反应究竟是如何发生的？人类至今依然没有找到答案。像我刚刚说的那样，纤维素酶会将纤维素“拉进来并切断”。也就是说，有些事情人类必须使用硫酸溶化掉物体表面才能做到，但酶却拥有一种机制，可以在我们想要切断的某一个点上即刻发生化学反应。
因此我觉得只要我们只要掌握了这种机制，就能设计它。但是，明明自然界中已经存在这种机制了，我们为什么还要大费周章地重新设计它呢？这一点便是我的疑问。。
您的研究方向不是对已存在的机制进行重新设计吧？
五十岚教授
是的。因为，我认为这种重新设计只是在展示自然界有多厉害。我觉得“既然自然界已经运转得这么好了，人类若能跟着它一起运转，岂不是更快？”
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您认为取得怎样的研究成果才能应用于产业发展呢？
五十岚教授
正如小酶同学刚刚所说，在当今的工业社会，酶的速度根本比不上人类所使用的化学反应的速度。不过我觉得应该有方法可以提高其速度，只不过是人类还没有学会熟练地使用酶而已。
就拿我研究的纤维素酶为例，如果我们不知道它是如何切断纤维素的，何谈提高速度。所以就要从“如何切断”这一点开始进行基础研究。
我们酶最初只是连接在一起的氨基酸而已。经历了漫长的岁月洗礼后，为什么会变成现在这种形态？为什么会发挥这样的作用？全世界的研究者们都正在努力为我们解开这个谜题。
五十岚教授
说得再具体些的话，我最具代表性的一项研究就是：研究如何消除纤维素表面形成的纤维素酶造成的“堵塞”课题。
这就像道路上发生的交通堵塞一样吗？
五十岚教授
是的。一旦发生堵塞，酶与酶之间就会互相阻塞，无法向前移动，从而导致分解速度下降。因此要想提高分解速度，只要消除堵塞即可。
我们想到的方法是在纤维素上的不同部位开很多切口，这样酶就可以从很多地方输送过来。那么怎样才能做出这样的切口呢？我们就这样一步一步地推进研究的。
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顺便问一下，您研究室里挂着的那个相框是？
五十岚教授
这是我们的研究被认定为“吉尼斯世界纪录®”的证书，内容是我们用全球最高分辨率解析了酶的结晶结构。
五十岚教授
我们曾经做过一个名为“在宇宙中制作蛋白质结晶”的项目，当时我们成功地制造出了非常漂亮的结晶。
当我们用X光照射结晶时，得到了令人难以置信的高分辨率。当时，和我一起做研究的一个学生随口说了句“这对科学进步并没有任何意义，也就只能申请个吉尼斯世界记录了”。于是我便说“那就申请试试吧”。
就如，我在体检时拍的X光片，如此清晰可见的感觉一样吧？
五十岚教授
毕竟，分辨率提高后，看到的东西也不一样。甚至连蛋白质的软硬度都能看得一清二楚哦。通常，我们会根据计算做出判断，说“这部分可能部分已经硬化”，而分辨率提高后，碳、氧等原子的硬度可以看得非常清晰。
相反的，柔软的地方略显蓬松，会有运动。你能看到很多圆圆的原子。看到那些的时候，我真的很感动。
（指导：Kudo Mitsuko 插图：Uchida Hiroko)
那种差别就像是同为体重计，但有的只能测量体重，而有的还能测量体脂一样得感觉吧？
五十岚教授
是的。就好像所有数据都可见的感觉。后来我们开始思考一种全新的酶反应机制，我觉得也是得益于分辨率的提高，所以我认为当时的研究应该也是有助于推动科学进步的吧。
与普通的化学催化剂相比，我们酶体由很多分子组成。在这种高分子（聚合物）状态下，我认为很多要素都会对我们造成很大的影响吧。
五十岚教授
这个话题比较专业，在酶和其他氨基酸中，与其他原子得氢键键合的模式完全不同。酶能够很好地利用这种氢键，将之引导至其想要引起反应的地方，可以用氢键连接形成网络进行水解。只要提高分辨率，这些就都能看得见。
我们酶为什么如此充满活力？是如何做到这些事情的？相信五十岚教授和其他研究者们会不断为我们揭开这些谜团。
五十岚教授
如果小酶同学不知道自己为什么可以做这些事情，我想我们可以站在第三者的角度来观察，帮助小酶同学找到自身的厉害之处。
听起来好像会变成我的私人教练一样！
五十岚教授
我认为，只要我们人类与自然携手并进，不断追求，就一定能利用酶建立起一个不破坏地球自然环境的社会。这就是我长期从事酶的研究工作，却从未感到厌倦的原因。
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也就是说，不是彻底废除当前的整个社会，而是要逐步改变它。
五十岚教授
是的。如今就有很多部分已经被酶取代了。我相信，今后酶会发挥出越来越多的作用。
自然界不会像工业社会那样进行设计，而是孕育多样性，让需要的东西自己出现，这也是它最睿智最神奇的地方。我认为，这是一个非常了不起的系统，它可以创造出“更大的多样性”，而不是针对性地为了某个特定的目的而创造。我们人类可以从中学到很多东西。
酶活跃在这个世界的每个角落，我们正在探寻它们全新的可能性。
在本栏目中，我们会与“小酶同学”一起探访如今活跃在各个领域的人们，听他们讲述自己的故事。