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北京大学高卫平研究员课题组:仿生构筑人造酶复合物级联反应体系的新方法
2020-01-13  来源:高分子科技

  酶级联反应体系在信号转导与放大以及代谢与催化途径中发挥重要的作用。在细胞中的酶总是存在于亚细胞器中或是形成酶复合体,这种空间受限效应使得不同酶之间的中间产物更容易通过底物沟道效应(Substrate channeling)从前一个酶输送至后一个酶,从而提高酶级联反应的效率。受自然界中酶复合物的启发,基于各种载体的人造酶复合体开始出现,例如:基于蛋白质以及核酸的支架体系、脂质体或聚合物体系、无机纳米颗粒体系。然而,目前几乎没有可以有效地调控人造酶复合体的方法,导致酶复合体的研究难以深入。

  为了解决这个问题,北京大学跨学部生物医学工程系高卫平研究员课题组以常见的葡萄糖氧化酶(GOX)/辣根过氧化酶(HRP)级联反应对为例(图1),通过化学生物学在GOX和HRP上引入原子转移自由基聚合(ATRP)引发剂,然后,通过ATRP在GOX和HRP上同时原位生长不溶于水的聚合物PHPMA,原位高效地形成GOX/HRP-PHPMA偶联物共胶束。这种方法被命名为PICA方法。

图1、可控合成酶-高分子偶联物共胶束级联反应体系示意图。

  研究结果表明,增加GOX/HRP的投料比可以提高共胶束中GOX/HRP的比例(图2a)。共胶束的级联反应活性随GOX/HRP比增加而大幅度提高,特别是在高GOX/HRP比条件下其活性是自由GOX/HRP混合物的数倍(图2b)。在高浓度底物竞争酶catalase存在的情况下共胶束仍然保持活性,而自由GOX/HRP混合物则不能(图2c)。这表明邻近沟道效应是导致其级联反应活性大幅度提高的重要原因。由于邻近沟道效应,共胶束对葡萄糖的检测速度比商用葡萄糖检测试剂盒更快(图3d)。这些新发现不仅为仿生构筑人造酶复合物级联反应体系提供新方法,而且有助于深入理解天然酶复合物级联反应体系和发现其潜在应用。

图2:(a)共胶束中GOX/HRP的比例随着它们的投料比增加而增加;(b)共胶束级联反应活性随GOX/HRP比增加而大幅度提高;(c)共胶束在高浓度底物竞争酶存在的情况下仍然保持活性;(d)共胶束对葡萄糖的检测速度比商用葡萄糖检测试剂盒更快。

  以上的相关成果发表在Nano Letters(DOI: 10.1021/acs.nanolett.9b04959),高卫平研究员为本文的通讯作者,其清华大学硕士生江祺玮为第一作者。

  论文链接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.9b04959?ref=pdf

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