研究论文｜北科大王天宇，过程所赵鲁阳、闫学海等：酪氨酸衍生物调控酶催化路径可控合成功能黑色素

　　黑色素是一种以酪氨酸为底物，通过酪氨酸酶催化氧化作用生成的天然色素聚合物，不仅在生物体着色、抗辐射、自由基清除中发挥着重要作用，还具有良好的吸光能力，极具潜力作为生物相容性光热材料用于光热治疗。传统调节黑色素结构及功能的方法主要集中于对聚合条件的控制，如温度、反应物浓度、pH值等。然而，对酶催化组装过程中关键聚合位点的控制仍然缺乏足够关注。这些关键聚合位点是指形成黑色素的底物如酪氨酸等在酶催化聚合过程中存在多个活性不同的反应位点，是造成酶催化路径复杂性和产物多样性的直接因素之一。酪氨酸经酪氨酸酶催化生成黑色素聚合物的反应中，酪氨酸有三个活性位点，分别为氨基、羧基和酚羟基邻位。长期以来，控制酪氨酸活性位点对酶催化反应的选择性及黑色素结构和功能的影响尚未明晰。

图 1 　(a)酪氨酸酶催化酪氨酸(Tyr)底物生成黑色素机理；(b)酪氨酸反应聚合活性位点及本文采用的酪氨酸衍生物结构, 依次为酪氨酸乙酯[Tyr(OEt)] 、3-氟酪氨酸[Tyr(F)]和N-乙酰酪氨酸[Tyr(N-Ac)]；(c)通过酪氨酸底物衍生化进行活性位点调控，经酪氨酸酶催化制备黑色素策略示意图；(d)由不同底物制得黑色素溶液样品图像，从左到右依次为原黑色素(MNP)、黑色素乙酯[MNP(OEt)]、氟代黑色素[MNP(F)]和N-乙酰黑色素[MNP(N-Ac)]。

　　近日，北京科技大学王天宇和中国科学院过程工程研究所赵鲁阳、闫学海等人在功能黑色素制备领域取得了新进展。该研究利用底物结构调控酪氨酸酶催化反应活性位点。依据已知酪氨酸酶催化机制，分别选取3-氟酪氨酸、N-乙酰酪氨酸和酪氨酸乙酯作为底物，选择性封闭三个活性位点中的一个，与酪氨酸作用，得到氟代黑色素、N-乙酰黑色素和黑色素乙酯。相比由酪氨酸得到的原黑色素，三种黑色素衍生物的聚合度显著降低，无不溶性沉淀产生。其中以N-乙酰黑色素的聚合效率最低，仅生成具有类似黑色素结构的寡聚物。四种黑色素样品均具有近红外吸光能力，其中黑色素乙酯在808 nm处的吸光能力最强。原黑色素、氟代黑色素和黑色素乙酯在808 nm激光照射的光热转换效率分别为47.3%、39.6%和25.8%。而N-乙酰黑色素升温幅度过小，无法拟合光热效率。将上述黑色素材料与4T1肿瘤细胞共孵育，黑色素乙酯呈现最佳的细胞抑制效果。该研究表明底物衍生化是一种简单而有效的调控黑色素结构和功能的策略。这一策略不仅为构筑新型黑色素材料提供了新思路, 还对揭示生物大分子结构与生物功能关系具有借鉴意义。

　　该论文第一作者为北京科技大学硕士生苏东芮，通讯作者为北京科技大学王天宇教授，中国科学院过程工程研究所赵鲁阳副研究员、闫学海研究员。研究工作得到了国家自然科学基金的资助。

作者简介

　　赵鲁阳，中国科学院过程工程研究所副研究员，北京科技大学博士毕业。主要从事仿生功能生物小分子的设计、自组装与生物医学应用研究。已在Angew. Chem.、CCS Chem.、Chem. Soc. Rev.等期刊发表论文二十余篇。

　　王天宇，北京科技大学教授，博士生导师，中国科学院化学研究所博士毕业。主要从事组装体系的超分子手性、光催化及光动力肿瘤纳米材料治疗研究。已在Angew. Chem.、Adv. Funct. Mater.、Chem. Soc. Rev.等期刊发表论文五十余篇。

文章信息

苏东芮, 任小康, 于沄淏, 赵鲁阳, 王天宇, 闫学海. 酪氨酸衍生物调控酶催化路径可控合成功能黑色素[J]. 化学学报, 2023, 81(11): 1486-1492.

Dongrui Su, Xiaokang Ren, Yunhao Yu, Luyang Zhao, Tianyu Wang, Xuehai Yan. Tyrosine Derivative Regulated Enzyme Catalytic Pathway for Controllable Synthesis of Functional Melanin[J]. Acta Chimica Sinica, 2023, 81(11): 1486-1492.

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