投稿心得｜张瑷珲、庄小燕、刘佳、黄佳城《Nature Catalysis》—— 单分子尺度下酶催化循环

酶是生命体中一大类重要的行使催化功能的蛋白质机器。它们不仅为细胞代谢过程提供各种还原力和能量，也是生命活动信号调控中的接受者和传递者。目前，系综平均的群体研究方式仍然是酶催化过程的主要研究手段。由于缺乏单分子水平上系统分析酶催化反应过程的表征方法，通过实验解析酶催化机制仍然是生物工程和生命科学领域的巨大挑战。

据此，我们采用了单分子扫描隧穿裂结（STM-BJ）技术作为表征手段，成功建立了基于单分子电学表征的酶催化过程研究平台。以甲酸脱氢酶作为研究对象，研究结果表明其分别结合还原型或氧化型辅酶I后呈现不同的电导值。这种现象不仅可用于区分甲酸脱氢酶催化循环中的不同反应状态，而且可用作监测甲酸脱氢酶催化循环轨迹的标记。基于人工智能的电导数据分析和统计结果表明，甲酸脱氢酶催化循环过程与传统的Theorell-Chance机制（1955年诺贝尔生理学或医学奖，教科书中广泛接受的机制）不同，其催化结束时不经历脱辅酶状态。结合多尺度模拟，我们提出反应结束后结合在甲酸脱氢酶中的还原型辅酶I通过氢负离子原位转移直接转化为氧化型辅酶I，并直接开启新的催化循环。同时，计算结果表明这一新机制在能量上是更为有利的。

图1：核心图表

1. 昨夜西风凋碧树，独上高楼，望尽天涯路

2016年方柏山教授课题组的国家重点研发项目遇到了瓶颈，受技术的限制，难以原位观测依赖于NAD+的氧化还原酶的催化机制。而当时洪文晶教授刚回国并带回了新颖的单分子电学的仪器和研究方法。2016年底的一次课题组间交流，将两个团队联系在一起。然而，2017年时单分子电子学的表征手法基本还是用于研究小分子化合物的性质，几乎还找不到一篇利用单分子电学技术监测酶催化过程揭示酶催化机制的工作。因此，我们几乎是从零开始建立起完整的单分子酶学测试平台。在此过程中，我们将课题切割成一个个小问题，查阅文献、请教老师和积极尝试是我们在“天涯路”上不断前行的动力。

2.行到水穷处，坐看云起时

这个课题的实验工作从2017年7月开始，到2020年12月基本完成。从时间线可以看出实验工作并不是顺风顺水，已经不记得有多少个进退维谷和绝处逢生。

（1）最初进行蛋白大分子测试的半年，由于测试平台不完善，几乎没有获得任何有效的数据，课题几乎走向了死胡同。当时洪老师课题组第一台STM-BJ仪器的搭建成功，以及多位同学在该仪器上的摸索为我们提供了宝贵的经验，庄小燕同学（本文的共同第一作者）经过一年半不断尝试，终于获得了第一个单分子尺度酶的电导数据，那一刻令她激动不已。

（2）实验获得大量数据的时候我们既开心又苦闷，因为有太多的问题想不明白。我们也因此带着众多疑问去请教酶催化理论计算方向的王斌举教授。王老师课题组的加入也让我们的更有信心去揭示最深处的奥秘。至此，我们成功的从1个课题组的单兵作战转变为3个课题组的联合攻关。刘佳同学（本文的共同第一作者）通过理论计算解开了一个又一个的谜团，并最终结合实验数据构建该催化机理的理论基础。

（3）在监测酶动态催化过程时，又遇到了电导数据统计分析的问题，甚至都找不到可以参考的方法。既然没有，那就从零开始建立电导数据统计的新方法。这时候本科经济学专业的黄佳城（本文的共同第一作者）同学担起了这个重任。时间紧任务重，2021年的年三十晚上，他仍然在做最后优化并最终建立起一套完整的统计分析方法。在大家的协作下，一次次“行到水穷处”，却又最终“坐看云起时”。

3.衣带渐宽终不悔，为伊消得人憔悴

投稿工作是从2021年8月开始，到2023年2月份文章接收，共历时1年6月，经历6个审稿人的6轮同行评议。审稿人的每一个问题都十分的专业，三位老师也组织大家针对回复意见进行了多轮的讨论和修改。其中第一轮的审稿意见回复写了60页word，近15000个单词（已经是正文长度的两倍），并补充了大量的实验。第二轮审稿意见中，审稿人也高度赞扬了我们为此付出的努力。因此，认真对待审稿人的每一个问题是非常重要的，这也是对待科学的一种严谨的态度。