限制性內切酶的前世今生
對于分子生物學和基因工程的從業者來說，限制性內切酶（Restriction Enzymes，簡稱限制酶或內切酶）是再熟悉不過的工具，在中學生物教科書中就有相當篇幅的描述。限制酶能夠識別特定的DNA序列，并將DNA切開，被稱為DNA的“分子剪刀”。有了限制酶，人類才能夠開始對基因進行各種編輯操作。可以說，沒有限制酶，就沒有基因工程。今天，我們就走進第一代基因編輯工具——限制酶的前世今生。
01 限制性內切酶的發現
限制性內切酶的發現和制備，使得人類可以開始對基因進行剪切、組合等編輯操作，標志著基因工程技術的誕生。因發現限制性內切酶及其在分子遺傳學方面的應用，Werner Arber、Daniel Nathans和Hamilton Smith共同獲得了1978年諾貝爾生理學或醫學獎。
圖二 瑞典1989年發行的諾貝爾獎紀念郵票。票面為限制酶切割DNA分子示意圖，左下方有三位獲獎者的名字
02 限制性內切酶的商業化歷程
圖三 限制酶的商業化歷程
1974年，美國科學家Donald Comb辭去了哈佛醫學院生物化學系副教授的職位，在自家車庫里創辦了New England Biolabs（NEB）公司。1975年NEB推出的首批產品包含18個限制酶，第一年就實現了20萬美元的銷售收入，在那個年代是一筆非常豐厚的回報。此后，NEB始終秉承“By scientist, For scientist”（由科學家創建，為科學家服務）的精神，為分子生物學工作者提供各種優質的工具酶，僅限制酶產品就有270種，成為該領域的領軍企業。
圖四 NEB創始人Donald Comb (1927-2020)
在NEB發展歷程中還有一位關鍵人物Richard Roberts。1972年，他在聆聽了Daniel Nathans關于限制酶應用的報告后，立即決定轉投這個領域。在1974年NEB創立之初，Roberts就擔任顧問兼科學咨詢委員會主席。他率先收集了各種已發現的限制酶信息，建立了第一個限制酶數據庫——REBASE，并由NEB維護至今。1992年，Roberts全職加入NEB擔任首席科學家直至今日。1993年，Richard Roberts因為發現斷裂基因（即基因由外顯子和內含子組成），而與Phillip Sharp共同獲得諾貝爾生理或醫學獎。
圖五 NEB首個限制酶產品目錄
與此同時，冷戰鐵幕另一邊的蘇聯也在分子生物學領域進行著積極的探索。早在1962年，蘇聯政府就決定建立5個酶工廠，其中3個位于俄羅斯，1個位于哈薩克斯坦，1個位于立陶宛。立陶宛工廠于1970年建成，1971年投產，廠區內的生物技術研究所也開始運營。1975年，蘇聯應用酶學研究所在立陶宛成立，Arvydas Janulaitis在此研發出蘇聯的第一個限制酶，并與NEB一起不斷豐富著REBASE。
圖六 蘇聯時期的立陶宛酶工廠及生物技術研究所
1990年，立陶宛等波羅的海三國宣布脫離蘇聯獨立，應用酶學研究所也隨之拆分，留在立陶宛的Arvydas Janulaitis等人成立了MBI Fermentas，繼續從事分子生物學工具酶的商業化開發，陸續推出了188種限制酶產品，成為世界第二大限制酶供應商。2010年，Fermentas被ThermoFisher Scientific整體收購。
圖七 2003年，理查德·羅伯茨（左起第5）帶領NEB團隊（左起第4-6）訪問Fermentas時合影，最右為Arvydas Janulaitis
而在太平洋西側，成立于1925年的寶酒造株式會社（Takara Shuzo）也不滿足于在食品發酵行業的成就，決定進軍生物酶領域。1979年，Takara推出了第一款限制酶產品。2002年，Takara的生命科學事業部獨立為Takara Bio，現擁有90種限制酶產品，成為世界第三大限制酶供應商。除此之外，還有Roche、Promega、Toyobo等知名生物技術企業也曾自行開發了一些限制酶產品，但均已逐步退出市場。
目前已在各種微生物中發現了4000多種限制酶，其中約400種形成了商業化產品。早期的限制酶產品反應時間較長，往往需要過夜；而且不同的酶在不同的緩沖液中活性差異很大，如果要使用兩個酶或多個酶切割同一個DNA分子，用一個酶切完之后，需要換用不同的緩沖液再加入第二個酶，使用起來非常麻煩。2006年，Fermentas率先嘗試通用緩沖液和快切，推出了FastDigest系列產品，這系列產品能夠在通用的FastDigest緩沖液中，僅需5-15分鐘即可完成酶切反應，大大方便了用戶。然而，第一代FastDigest系列僅有19個產品，選擇余地太小，未能產生太大反響。2011年，收購了Fermentas的ThermoFisher重磅推出176種FastDigest系列快切酶，轟動了整個領域。隨后，Takara在2012年也推出了QuickCut系列快切酶，不過僅有37種產品。2013年，“老大”NEB終于也推出了Time-Saver系列快切酶，現有超過180種產品。限制酶全面進入快速時代。
03 限制性內切酶的國產化
時至今日，愚公生物（含旗下百時美生物）已推出63種限制酶產品，其中包含56種LightNing系列快切酶，覆蓋了90%以上的限制酶應用場景，2022年國內市場占有率達到6%。未來愚公生物將繼續堅持“創造酶好生活（Best Enzyme for Better Life）”的愿景，不斷守正創新，為中國生物醫學行業提供更多優質、經濟、使用方便的工具酶產品，助推中國生物醫藥產業發展。
