丁寶全/王會/王振剛等最新Nature Materials

2020-12-03 研之成理


本文來源於：國家納米科學中心微信號

近日，國家納米科學中心丁寶全課題組、施興華、王會課題組和北京化工大學王振剛課題組、清華大學劉冬生教授合作，在生物分子自組裝催化領域取得新進展。相關研究成果以「Cofactor-free oxidase-mimetic nanomaterials from self-assembled histidine-rich peptides」為題目在線發表於《自然-材料》雜誌上（Nature Materials，2020，DOI: 10.1038/s41563-020-00856-6）, 文章連結詳見「閱讀全文」。

天然的氧化還原酶（如過氧化物酶、漆酶、葡萄糖氧化酶等）主要依賴活性位點附近精確排布的胺基酸殘基和輔因子（Cofactor）相互協作高效地催化底物的氧化還原反應，其中輔因子對於電子傳遞起著關鍵的作用。但是，在環境升溫或pH波動時，隨著多肽鏈的解摺疊，反應性胺基酸殘基的空間排布發生改變，導致輔因子的移位、脫落甚至聚集，從而使酶不可逆地失活。

丁寶全課題組在自組裝生物分子的功能化方面已經取得一系列進展（Angew. Chem. Int. Ed., 2018, 57, 15486; Nature Biotechnol., 2018, 3, 258; Nature Mater., 2020, DOI: 10.1038/s41563-020-0793-6）。基於酶催化原理和結構特點發展起來的超分子自組裝為酶的從頭設計與構造提供了有效的途徑，作者在前期工作中通過DNA/多肽/多糖分子自組裝構建了輔因子依賴性的類酶活性位點（Chem. Eur. J. 2019, 25, 12576-12582; ACS Catal. 2018, 8, 7016–7024; ACS Nano 2017, 11, 7251-7258.）。對於輔因子依賴的氧化酶或模擬酶而言，其是否能在缺乏輔因子的情況下，僅依靠分子組裝和胺基酸殘基的協作而實現催化功能，尚未可知。

血紅素蛋白是一類以血紅素（鐵原卟啉）為輔因子的蛋白。在過氧化物酶、血紅蛋白或一系列血紅素模擬酶活性位點中，組氨酸殘基作為配體或者酸鹼催化劑，能夠顯著提升血紅素的催化活性。考慮到組氨酸側鏈咪唑的特性，作者設計了不同長度的聚組氨酸肽（最短為二肽），以COO-和NH3+為末端，通過氫鍵、電荷或者π-π堆積作用，組裝形成了可至毫米級別的大尺寸片狀單晶或者帶狀結構；在不含有血紅素輔因子及金屬時，表現出顯著的催化H2O2氧化四甲基聯苯胺（TMB）、高香草基酸（HVA）或煙醯胺腺嘌呤二核苷酸（NADH）的活力。作者系統考察了自組裝催化劑的結構和催化功能，發現聚組氨酸肽β-sheet二級結構（貢獻氫鍵作用）、末端基團（貢獻靜電作用）、側鏈咪唑（貢獻π-π堆積和氫鍵作用）協同促進多肽鏈規整排列，形成晶體結構，後者決定了自組裝材料的比催化活力（Vi per His），表明活力與組裝的密切關係。

ICP-MASS、EDTA與金屬/I-添加實驗表明，催化劑的活力並非源於痕量金屬或者I-。催化動力學、電子順磁共振波譜和理論計算結果表明，催化劑通過（010）晶面的組氨酸殘基、以多重非共價相互作用吸附H2O2和TMB形成三元複合物，通過奪氫反應、超氧自由基OOH.形成、質子轉移反應，生成水和TMB陽離子自由基，最後回到初始態。經歷10次乃至數百次的加熱/冷卻或者酸化/中和循環後，該催化劑的活力沒有損失。而且活力的響應性變化與組裝結構的解離、重構對應，進一步證明活力與組裝的關聯；但是，含有血紅素的天然酶或者模擬酶在經過十個循環處理後，活力均降低80%以上。作者進一步將成纖多肽與聚組氨酸多肽化學偶連，引導聚組氨酸形成纖維狀結構，提高催化劑的比表面積使更多的組氨酸殘基暴露於表面，能夠將TOF (turnover frequency)提高一個數量級。這項發現有望對設計先進的仿生催化材料提供新的思路。這些無輔因子的超分子催化材料也為原始酶提供了一種可能的假想模型；在生命起源前的複雜環境裡，無輔因子的多肽組裝結構經過多次失活和活化將仍然可能發揮催化功能。


國家納米科學中心的劉清博士和博士研究生萬鎧瑋為該論文的共同第一作者，北京化工大學的王振剛教授、國家納米科學中心的王會副研究員和丁寶全研究員為該論文的共同通訊作者。該研究得到了國家自然科學基金、北京化工大學中央高校基本科研業務費、北京市科技計劃、中科院戰略性先導科技專項及前沿科學重點研究計劃、科技部重點研發計劃等項目的支持。

▲圖1.示意圖：a）辣根過氧化物酶（左側）和抹香鯨肌紅蛋白（右側）活性中心結構；b）聚組氨酸多肽自組裝過程；c）聚組氨酸多肽自組裝結構催化模式。

▲圖2.a）十五肽自組裝結構的掃描電鏡圖（inset為帶狀結構）、電子衍射圖和高分辨電鏡圖；b）聚組氨酸肽的二級結構、活力與分子鏈長的定量關係；c）聚組氨酸多肽催化過程的理論模型；d）多肽催化劑（十五肽，H15）與天然過氧化物酶（HRP）活力對熱處理和酸處理的響應性。

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