“超乎想象！”《自然》（Nature）審稿人在論文評審意見中說。
中國科學院天津工業生物技術研究所研究員高書山告訴《中國科學報》：“他們（指審稿人）大概都覺得太顛覆了，給我們的評審意見都是這樣的調調：你這個文章很好啊，我再給你提一些建議，讓它變得更好！”
2024年大概是高書山與杭州師范大學教授郭瑞庭團隊的幸運年。從投稿《自然》到被接收，只用了100多天。而很多《自然》發表的論文，通常從投稿到接收需要一年甚至數年時間。
高書山是做麥角生物堿類藥物的生物合成機制研究工作的。這篇論文中發現的全新的氧氣激活方式堪稱改寫了教科書經典理論，卻是他的科研副產物。這場轟轟烈烈、充滿精彩反轉的“酶學研究”持續了7年。2025年3月6日，《自然》在線發表了這一成果。
意外之喜：“老虎”愛吃“草”
過氧化氫酶EasC，顧名思義，它的底物是過氧化氫，能將其分解為水和氧氣。過氧化氫酶對底物十分專一，“就像老虎只吃肉” 。當氧氣以底物的身份出現在過氧化氫酶的“食譜”里，對高書山來說是一個巨大的沖擊——“老虎什么時候開始吃草了？”
2017年，北京，高書山剛回國，麥角生物堿成為他研究的新起點。麥角生物堿在結構上與人的大腦神經遞質受體具有相似性，能夠調控人的行為機制，引起人體肌肉收縮，甚至影響人的喜怒哀樂。它被用于治療孕婦大出血、帕金森病、偏頭痛等疾病。高書山團隊主攻新藥研發，解析麥角生物堿的合成路徑是必經環節。
高書山也沒想到，做著做著就有了意外之喜。
那年，高書山的團隊開展標記實驗。他們先是像往常一樣，往過氧化氫酶的反應體系里加過氧化氫，可反應速度并沒有如預期那般加快。更加荒謬的是，即使不加過氧化氫，這種酶始終能夠在空氣中推動反應。他們猜測，難道氧氣也是它的底物？最終，氧18的喂養帶來產物分子量的增加，“老虎吃草”成了活生生的事實。
老虎吃肉、分解肉，這是一個完整順暢的過程。老虎吃草，又該咋分解草？從專業角度來說，氧氣是如何被激活的？
常規流程中，酶的結構里含有一個小分子或金屬離子，金屬離子相當于中介，可以從還原劑那里得到電子。將電子給氧氣，便于其結合到金屬離子上被自然激活。簡單來說，激活的本質在于還原反應。2018年，承擔生化反應的課題組成員姚永鵬卻傻了眼——整個反應過程中，還原劑都派不上用場，簡直“離了大譜”。既然如此，氧氣何以激活？
高書山（左）介紹旋轉蒸發儀的操作流程。
荒誕的晶體結構令人無法相信
投入多種還原劑、重復實驗過程，一做就是兩三年，卻始終沒進展。“這是實實在在做不下去了。”
就在走投無路的時候，高書山去拜訪了學術會議上認識的郭瑞庭，提到了這個奇怪的酶。郭瑞庭做酶結構解析已有幾十年，具有異常精準的判斷力。他說，可以用冷凍電鏡技術試試看。這讓深耕機理研究的高書山看到了希望。在此之前，他已與多個單位進行過結構解析方面的合作，都未能如愿。
郭瑞庭說，解析酶與底物的復合體結構有兩種方法。一個是X射線衍射晶體結構分析，這對蛋白純化的蛋白體量是否足夠、是否能形成排列規則的晶體有相對嚴格的要求；另一個是單顆粒冷凍電鏡技術，雖在條件上相對寬松，但過氧化氫酶只有約90kD大小的酶分子處于電鏡技術的分辨率下限。兩種技術方式都不一定很適用。
“我們在半年內嘗試晶體結構解析技術，沒有得到好的結果。轉而采用電鏡后也需要反復調整樣品純度、濃度和緩沖液條件。”過程雖繁瑣，但一年后，郭瑞庭團隊成功解析了麥角生物堿合成酶EasC與底物的電鏡結構。“算得上十分順利。”他說。
然而，這一結果讓高書山不敢相信。在傳統認知中，酶的催化中心通常與血紅素直接結合并進行催化反應。而麥角生物堿底物結合區位于獨立于血紅素結合區之外的一個區域。兩個區域相去甚遠，在兩者之間建立關聯，如同在天津發工資、在北京干活兒一般，荒誕、反常，十分不合理。
郭瑞庭卻堅信自己的結果肯定沒問題。與酶“交手”幾十年，郭瑞庭深知每個酶的結構都有其最穩定、最好的方式。這種新的結合模式或許有它自己的“用意”——原本能夠結合底物的血紅素附近的空間太小了，過氧化氫酶EasC在演化過程中無法直接結合較大的底物產生反應，可能是那里的結構限制了底物結合位的擴大，所以逐漸往另一個空間去變形、另辟蹊徑。這一現象，是它走投無路下的必然“選擇”。
高書山又翻出來另外一個相似的酶，拿去讓郭瑞庭團隊做結構分析。“真的做出來了，那我就信！”
結果依舊如此，結合區也在“十萬八千里”之外。高書山沒有了繼續懷疑的底氣。他能做的只有搞清楚這顛覆教科書的結構到底是怎么回事。
高書山（前排左六）團隊郭瑞庭（左三）團隊
陪老婆散步時的靈光一現
這么一尋思，又是一年。對高書山來說，“腦袋都要想破了”。
他在腦海里逐漸架構起那列來往北京與天津的“高鐵”。山窮水盡處，高鐵終于“通車”了。
假期，高書山從天津回北京，陪老婆在朝陽公園散步。散步時老婆跟他聊孩子與家務。高書山人在，腦子卻不在線。多年前看過的一篇美國化學會的研究綜述，突然在他腦中閃現——文獻強調超氧陰離子可以在化學反應中作為催化劑，參與多種反應。
“這個超氧陰離子會不會在生物化學反應中也存在？”他大膽猜測，并立馬拿出手機，安排學生設計驗證實驗。
之后的進展非常順利。他們證實，麥角生物堿底物可以直接提供電子，傳遞給過氧化氫酶EasC鐵離子結合口袋的Fe(III)，氧氣也的確能夠被激活形成超氧陰離子，進而通過一個相當狹窄的超氧陰離子傳遞通道輸送至麥角生物堿底物反應位點。至此，一個全新的、不依賴輔酶-O的非典型氧氣激活途徑終于形成了邏輯上的閉環。
超氧陰離子的生成與傳遞示意圖
“超乎想象”
郭瑞庭有過許多投稿經驗，有成功也有失敗，卻從來沒有見過編輯這樣積極。2024年8月28日當天接到稿件，《自然》編輯隔天就找到了審稿人進行審核。
10月1日，高書山接到反饋意見。三位審稿人一致同意接收，只提出補充數據、扎實證據的意見，希望文章變得更好。其中一位表示，這篇稿子讀來太令人“enjoy（享受）”，文中提到的非典型氧氣激活機制實在是“Beyond imagination（超乎想象）”。
12月16日，稿件得到了預接收，整個過程不過3個多月。
前期的沉淀足夠長久，這份成果的“過于”順利也是意料之中。
郭瑞庭幾十年來解析過了幾百個酶的結構，他早已有穩定的認知框架。對他來說，現在做研究更重視創意、有趣。假如過氧化氫酶EasC并沒有一反常態，也不能成為最令他印象深刻的存在。
研究者之間總是有著天然的共情。高書山很清楚，如果沒有結構上的完整圖景，機理研究的許多工具便難以充分發力，更不要說如何將酶的機理一層一層往下深度剖析。
“京津來往的高鐵十分便利，但實際上，這份便利到處存在。”高書山重視研究的首創性，也對這一機制的普適性抱有期待。他覺得，當這一演化機制被更多人了解，不僅對藥物合成的效率提升、新藥創制有利，還能通過改造酶，使其催化新的反應，對生命科學也有所貢獻。
活性更好的麥角生物堿分子或許很快就會得到，但將其研發為新藥，不知還要經歷幾個七年。
相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-025-08670-3
（文中圖片均為受訪者提供）
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