北化工王振刚教授与浙大徐志康教授《AFM》综述：仿生自组装材料调控酶催化功能

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酶是一种天然的高效催化剂，在生命代谢、生化工程、制药生产等领域发挥着重要的作用。然而，酶的活力与其所处的环境息息相关，大多数的酶在天然细胞之外并不是处于其最佳的环境，这会导致酶催化活性的下降，甚至失活。设计有利的催化微环境是调控酶催化功能和重塑其催化活性的一种有效策略。超分子自组装方法能够较好地实现功能基团的有序排布，制备局部性质可控的生物材料，是一种调节酶微环境的有效方法。

近日，北京化工大学王振刚教授团队与浙江大学徐志康教授合作，总结了近年来利用超分子自组装策略调控酶功能的相关研究进展，以“Bioinspired Self-Assembling Materials for Modulating Enzyme Functions”为题在《Advanced Functional Materials》发表综述。

在这篇综述中，作者讨论了以大分子（DNA、多肽、嵌段共聚物等）自组装材料作为支架对天然酶的微环境进行设计、构造和调控，阐述了自组装体的理化性质与局域环境以及酶催化功能的联系，并讨论了自组装材料对酶催化的动态调节能力。作者总结认为，自组装材料对酶微环境的调控主要有包括方面：局部pH效应、局部底物效应、局部水环境。

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局部pH效应

大多数的酶都具有pH高度敏感性。pH值的变化影响酶蛋白上氨基酸残基所带电荷情况，从而影响链之间的相互作用、蛋白质的折叠状态和活性位点的形状。当酶在天然细胞外进行催化反应时，体系的pH值往往偏离酶的最优值，不利于表现其最佳的催化活性。自组装材料，如DNA和多肽，能够通过带电结构单元的规整排布与聚集实现微环境的控制。DNA分子上骨架具有带负电的磷酸基团，在骨架表面通过静电相互作用吸引并富集质子，使靠近DNA的酶处于一个相对于体系而言更加酸性的微环境。多肽自组装能够通过酸性或碱性氨基酸残基聚集来为酶创造局部阳离子或阴离子环境，从而影响增强酶的活性。

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局部底物效应

酶利用其活性位点与底物结合形成酶-底物复合物，降低反应的活化能。总反应速率在很大程度上取决于密闭空间中酶或底物的浓度，即两者之间发生碰撞的概率。因此，通过限制底物扩散或将底物集中在酶周围是一种提高酶反应速率的有效方法。通过超分子自组装，可以实现底物通道的构建、酶促反应的局域划分以及酶-底物间亲和力的提升，从而对达到对天然酶功能的调控。

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局部水环境

非水溶剂是生物催化反应中的常用介质，然而大多数的酶在纯的非水溶剂中表现出极低的催化效率。水是维持天然酶中非共价相互作用的重要因素，当一个蛋白质分子上有几十个水分子层存在时，我们就足以能够观察到催化活性。两亲性分子的自组装可以将亲水部分聚集实现局部水环境的构建，以提高酶的催化活性。

展望未来，微环境的调控可以与酶的理性设计或定向进化的概念相结合，创造具有多种催化功能的新酶；同时，结构简单的超分子催化剂和天然酶在特定区域内结合，依靠底物效应实现更高反应效率。天然酶在严苛环境下的活性、稳定性和选择性的提升，有利于推动塑料降解、生物燃料制备、生物医药、生物传感等研究。

北京化工大学博士研究生杜沛东和硕士研究生徐世超为本文的共同第一作者，浙江大学徐志康教授和北京化工大学王振刚教授为本文通讯作者，北京化工大学为第一完成单位。感谢中央高校基础研究基金（XK1806和buctrv201902）和国家自然科学基金（21872044）的支持。感谢北京化工大学张一飞教授提供的帮助。

论文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202104819

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