酶是生物纳米机器。它们使生命中几乎所有的化学反应在需要的时间和地点发生。由于其多功能性和强大功能，酶对于生物技术非常有用。它们脱离活细胞后可用于合成或修饰药物或降解潜在的污染物。

细菌含有编码一系列深不可测的酶的基因。然而，科学家们仅仅触及了这种潜力的表面，因为99%的细菌无法在实验室条件下生长，因此很大程度上未经研究。

我的团队通过将土壤中代表数千种细菌物种的整个细菌DNA视为“遗传软件”来解决这个问题。

在我们发表在《细胞化学生物学》上的新研究中，我们展示了如何将该软件转移到实验室细菌菌株中，然后筛选所需的新功能并分离出负责的酶。

发现新酶

一个多世纪以来，科学家们一直在收集土壤样本并培养细菌，然后寻找细菌产生的酶的用途。然而，当复杂的DNA测序技术在世纪之交发展起来时，人们发现标准培养方法明显缺失了大多数存在的细菌。

这些技术表明，一克土壤通常只能培养不到100种不同的微生物物种，但实际上却含有数千种。

同样的DNA测序技术表明，难以生长的细菌含有大量功能完全未知的基因。我们发现其中一些神秘基因可以帮助我们解决重大问题。

基因实际上只是被动的信息单元——活细胞硬盘中的软件代码片段。但当这些信息被激活时，结果就是蛋白质的产生。其中大部分是酶。

然后，这些酶充当活细胞中发生的化学反应的纳米级催化剂。在这里，软件类比有些困难，因为生命是生物的，而不是数字的——这意味着它是嘈杂和混乱的。

因此，酶可能执行对细胞健康做出明显贡献的主要工作。但它也可能能够做一些其他的小事情，这些事情可能有也可能没有任何明显的价值。

这些次要的“兼职”角色对于进化来说非常重要。当一个全新的压力出现时，今天不重要的功能可能在未来变得至关重要。

我的团队有兴趣利用土壤细菌中“未知的未知”酶的进化潜力来解决重要问题。为了实现这一目标，我们与TeHerengaWaka的LivingPā团队合作，从经他们许可现场采集的土壤样本中发现新的酶。

使用酶来解决问题

进化的不幸后果之一是，细菌经常含有酶，这些酶可以提供低水平的保护，抵抗为对抗疾病而开发的新抗生素。如果这些抗生素被过度使用或使用不当，细菌可能会开始促进保护功能。这就是全面抗生素耐药性的演变过程。

这是一个非常现实的问题。每年有数百万人死于过去可以治疗的细菌感染，但现在已经无法治疗。我的团队一直在研究细菌对有前景的新型抗生素的耐药性是如何产生的，以便在为时已晚之前采取对策。

但我们也对未知基因编码的未知酶如何直接用于保护环境的应用感兴趣，或者如何进化为有用的。例如，酶的发现和进化可以更有效地回收塑料或修复持久的环境污染物。

我们的最新工作代表了在开发新方法来研究可从污垢样本中提取的数百万个未知基因方面取得的突破。

我们的方法首先提取土壤中存在的所有细菌DNA，并将其分解成仅包含一两个基因的一口大小的片段。然后，我们将它们放置在一个特殊的载体系统中，使它们能够被引入一种称为大肠杆菌的驯化实验室细菌中。

我们的创新在于如何获取新引入的基因中的信息，这并不容易做到。以此类推，我们都知道Android软件通常无法在Apple操作系统上运行。想象一下，如果不兼容的操作系统不仅仅是几个，而是数千个。这就是我们面临的问题。

我们使用通常完全不兼容的新软件启动了一种常用的实验室细菌菌株(大肠杆菌)。但我们已经开发了一种通用的模拟器，允许大肠杆菌运行大部分新软件。

然后，我们可以筛选获得我们感兴趣的新特性的单个大肠杆菌，例如，降解目标污染物。尽管负责这些新活性的酶最初可能不是非常有效，但在实验室环境中模仿自然进化过程可以将低级起始活性提高到工业上有用的水平。

由于酶是无生命的、可生物降解的并且不能以任何方式自我复制，因此它们可以为大量问题提供安全且受控的解决方案——如果我们能找到能够完成工作的酶。

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