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北理工王博&张媛媛团队Angew丨调节COFs孔道中的共价相互作用,提高酶活性!

发表时间:2022-03-16 10:43

1、前言

一种高效的生物催化剂,具有高活性和高选择性,在各种工业生产中变得越来越重然而,在复杂的工业操作和苛刻的应用条件下,酶的脆弱性往往使其难以保持良好的构象和高催化活性。多孔材料为酶的固定化提供了很好的载体,因为它们可以提供传质通道和构象限制来稳定酶。其中,共价有机框架(COFs)是一种由有机配体单元通过共价键形成的结晶多孔聚合物,具有明确的结构、拓扑多样性和精确可调的孔几何形状和功能,这使得其成为酶固定化的理想载体。COFs载体主要采用物理吸附策略,然而,由于弱的非特异性的相互作用,物理吸附的酶在催化过程中可能会遇到浸出问题。

载体和酶之间共价相互作用的调节对于固定化酶至关重要,因为它可能会引起酶的构象扰动,从而改变催化活性。与基因工程和化学修饰等其它改变酶活性和稳定性的策略相比,将酶固定在固体载体上更容易回收和重复使用酶。固定化酶在不受控制的微环境中以及载体与酶之间的相互作用中,往往会出现活性损失。COFs具有设计性和可调节的孔道,可能有利于保存和调节酶的特定微环境,具有很高的吸引力。目前大部分研究聚焦于COFs表面或通道内酶的共价附着,以提高酶的稳定性和保留率。然而,酶和COFs载体之间的共价相互作用尚未得到优化或充分利用,构象扰动对酶催化活性的影响也尚未研究。


图1:Cyt c与COFs的组装过程示意图


2、简介

基于上述的问题,近日,北京理工大学王博教授张媛媛副研究员团队采用共价连接方法将酶固定在COFs通道内,并利用共价界面相互作用优化宿主酶的活性和稳定性。研究人员利用细胞色素c(Cyt c)作为研究的模型蛋白,其具有良好的结构特征,大小约为2.6 nm×3.0 nm×3.2 nm。值得注意的是,Cyt c固有的过氧化物酶活性通常被紧密的蛋白质基质抑制,主要是α-螺旋,其中活性中心(血红素辅基)嵌入在多肽链中,并与进入的底物隔绝。因此,提高过氧化物酶活性需要蛋白质结构转换来打开血红素缝隙。

2:相关复合COFs的性质表征

为了匹配Cyt c的大小并实现多点共价共轭,研究人员使用孔径为3.3 nm且经环氧基官能化的[OH]-TD-COFs作为载体。利用该COFs中孔道的可调功能,研究人员研究了锚定位点密度以及由此产生的共价相互作用对酶催化性能的影响。固定化Cyt c的活性可以通过改变COFs骨架上锚定位点的数量来优化。结果表明,共价连接的Cyt c比游离Cyt c和物理吸附的Cyt c具有更高的活性和稳定性。这是由于共价相互作用可以引起二级结构的变化,导致更易接近血红素中心,从而提高催化活性。此外,由于约束效应和界面相互作用,共价锚定的Cyt c的稳定性可以显著提高。


图3:酶-COFs的催化性能研究


3、总结

综上,该工作开发出一种新型-COFs生物复合材料有望应用于生物传感和生物医学等领域该方法也为开发其它功能性酶-多孔复合料提供了新思路。相关研究成果现已发表在国际**期刊《Angewandte Chemie International Edition》上,题为“Enhancing Enzyme Activity by the Modulation of Covalent Interactions in the Confined Channels of Covalent Organic Frameworks”。


如需文献PDF可添加客服QQ或微信获取。https://doi.org/10.1002/anie.202201378


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