酶的艺术

随着加利福尼亚州纳帕山谷的山峦和树木在车窗外掠过，6岁的戴维·卡斯特纳正与父亲进行深入的交谈。这场对话既熟悉又自然，话题从重力无缝过渡到电磁学。在他能记起的岁月里，对这些驱车旅程中的对话来说，科学的好奇心一直是其中的关键部分。

“我记得自己曾被宇宙的复杂性以及人类对其知之甚少所深深吸引，”如今已是生物工程学四年级博士生的卡斯特纳回忆道。“我总是想揭开宇宙的新真理。”

将近二十年后的今天，卡斯特纳正在麻省理工学院跟随化学工程教授希瑟·库利克和生物工程教授福雷斯特·怀特，研究一种名为金属酶的具有挑战性的蛋白质子集。带着与父亲在旅途中讨论时所激发的同样好奇心，卡斯特纳渴望通过计算和机制方法利用酶的化学和医学潜力。

卡斯特纳的研究旨在利用最先进的计算方法揭示酶反应性的基本蓝图。然而，他的研究方法不仅涉及物理、化学和生物学，还涉及艺术，这自他童年起就是他生活的重要组成部分。卡斯特纳制作了精美的分子系统3D插图，这些插图有助于使他的研究更易于被广大受众所理解。

“以如此逼真的方式看到科学，让你感觉自己可以触摸到它，这比条形图或直方图更具影响力，”他说。“如果科学家更多地以吸引人和有趣的方式展示他们的工作，那么我们将会有更多人参与到科学中来。”

形式与功能并重

卡斯特纳的研究跨越了量子化学计算、蛋白质工程、生物信息学、合成有机化学和哺乳动物组织模型等多个领域。他在杨百翰大学获得了生物物理学学士学位，并在开始麻省理工学院的博士项目后，他决定专注于金属酶的研究。

在金属酶中，卡斯特纳选择了高价金属酶作为研究对象，这类酶含有一种高反应性的金属原子，该原子已失去许多电子，并急于通过反应来重新获得它们。他个人的最爱是非血红素铁酶，因为它们拥有广泛的化学反应库，可直接应用于人类健康，并且其活性位点可经过工程改造以实现新颖的反应性。

然而，给旧酶赋予新的反应性并不容易。他与库利克研究团队的前成员共同撰写的第一篇论文就说明了这一点。

卡斯特纳的研究探索了非血红素铁卤化酶和羟化酶之间的机制差异，这两类高价酶能激活通常无反应性的C–H键。通过研究结构数据库和分子动力学模拟中的趋势，他确定了导致底物定位角度细微差异的关键相互作用，这些差异影响了反应性。卡斯特纳的计算发现为卤化酶和羟化酶之间的转换提供了新的思路。

虽然对酶结构的直觉能走得很远，但有时你需要超越结构。“一旦你在酶的核心中加入金属，建模就会变得更加困难，”他说。“这需要独特和前沿的工具来理解反应性。这就是为什么我们在研究中如此需要量子化学计算。”

试图解开自然界最高效催化剂的秘密，需要在尽可能尖锐的层面上进行观察。给定酶的结构和反应性由其所含电子之间的相互作用决定，因此依赖于量子计算方法。

从量子力学角度全面观察酶的重要性在卡斯特纳最近发表的研究中得到了凸显。卡斯特纳及其合作者发现，一类微型人工金属酶的反应性受动态电荷分布变化的控制，这可以看作是一种观察电子和电荷如何在酶结构中波动的方式。

“如果你对生命的功能感兴趣，那么观察酶和蛋白质就显得合情合理，”他说。“酶是进化为利用物理学和化学的机械装置。”

“我一直对这个问题很感兴趣，”他继续说道。“你是如何从这些纯粹的数学底层物理定律出发，到拥有感觉的活生生的有机体的？”

科学的艺术

除了研究外，卡斯特纳还会使用Blender和VMD等3D图形程序来可视化大分子系统及其相互作用。他的作品可见于《自然》和《美国化学学会》等科学期刊的封面，但他最初涉足艺术领域时却简单得多。

“我会画一切，”他说。“这是我会玩的游戏。我会画画；我会让父母为我画画；我会问遇到的人，‘你能为我画这个吗？’”

他的母亲制作受自然启发的超现实主义艺术，并且是他早期最大的艺术影响者。卡斯特纳描述了一幅他母亲用刮板画的写实猞猁，这幅画挂在他祖父母家中，他小时候觉得特别受启发。

他在高中时对传统艺术非常认真。他使用木炭和油彩，赢得了多次比赛，但他不确定如何将这些技能应用于自己的学术兴趣。

“当时，我还没有意识到如何调和艺术和我对科学的热爱，”他说。“它们仍然感觉如此不同，而且我和交谈过的任何人都没有尝试将它们结合起来。”

然而，如果他出生在15世纪末的意大利，情况可能并非如此。文艺复兴时期的代表人物并不认为各学科之间存在界限，而卡斯特纳最喜爱的科学家——列奥纳多·达·芬奇——或许是最经久不衰的人物。

“人们普遍认为达芬奇是现代解剖学和生理学的鼻祖，而这位大师同时也是‘蒙娜丽莎’的创作者，这太不可思议了，”他说。“我觉得，如果我们有更多像达芬奇这样的人能够调和科学与艺术，世界将会变得更加美好。”

事实上，他认为如果真是这样，公众对科学家的信任缺失可能会得到缓解。经过同行评审的论文之所以密集且技术性强，是因为它们需要以能够重复其结果的方式描述复杂的实验，但这意味着普通人可能无法理解。这正是艺术可以发挥作用的地方。

“如果我们以与普通人相关的方式传播我们的科学，我认为这将自动消除一些不信任，”他说。“我们需要继续以我们目前的方式撰写论文；这是无法避免的。然而，科学艺术可以帮助使这些信息更容易被理解。通过将深奥的数据转化为熟悉且易于理解的视觉内容，研究人员可以邀请各年龄层和背景的人通过艺术这种普遍共通的语言来与其科学进行互动。”