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【催化】基于氢键有机框架共包封酶与辅因子用于多酶级联反应及辅因子循环

时间：2023-09-22 来源： 浏览：

【催化】基于氢键有机框架共包封酶与辅因子用于多酶级联反应及辅因子循环

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氢键有机框架(HOFs)具有制备过程简单绿色、生物相容性好等优点，是一种理想的固定化酶载体。然而，目前为止所报道的基于HOFs的固定化酶体系与游离酶相比，表现出较低的酶活回收率；并且还未实现辅因子依赖的多酶级联体系在HOFs中的共固定化。为解决当前HOFs在构建生物催化剂方面的挑战， 天津大学孙彦 教授团队开发了一种 聚电解质辅助的包封策略，可使不同的辅因子依赖的多酶级联体系以较高的负载量与高于100%的级联活性共包封于HOFs中。
以BioHOF-1作为研究的固定化载体（酶活回收率约为24%, J. Am. Chem. Soc. 2019 , 141 , 14298-14305），研究了四种不同氧化还原酶在BioHOF-1中的固定化情况。结果显示，四种固定化酶的活性表现出不同程度地下降（图1a）。通过计算与实验分析得知，HOF中酶活的降低与HOF构建模块与酶分子上的关键残基发生了不利的氢键相互作用并导致酶的构象改变有关（图1b - c）。为此，利用聚电解质（聚烯丙胺盐酸盐，PAH）附着在带有相反电荷的酶分子表面，PAH通过代替酶分子与HOF单体发生氢键作用，从而避免HOFs单体自组装过程中对酶分子的不利影响，从而大幅度提高了HOFs中固定化酶的活性收率（图1a）。此外，与直接共沉淀法相比，PAH辅助四种酶在HOFs中的固定化率也表现出不同程度的提高（图1d）。

图1. (a) 四种酶在不同形态下的相对活性，其中游离酶的相对活性定义为100%；(b) 酶经PAH和/或HOF单体处理前后的圆二色光谱图；(c) 酶经PAH和/或HOF单体处理前后的荧光发射光谱图；(d) 四种酶通过共沉淀法或聚电解质辅助的包封方法在BioHOF-1中的固定化率比较。
与此同时，带有负电荷的辅因子（烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（磷酸），NAD(P)H）可通过静电作用锚定到PAH分子上，因此可随酶分子一起共包封于HOFs中。这种聚电解质辅助的包封策略已在两种NAD和NADP依赖的多酶级联体系得到证明（图2）。NAD依赖的醇脱氢酶(ADH)-胺脱氢酶(AmDH)级联体系以及NADP依赖的苯丙酮单加氧酶(PAMO)-亚磷酸脱氢酶(PTDH)级联体系在BioHOF-1中均展现出优异的级联活性（图2–图3）。

图2. (a) A-Am-N@PAH-BioHOF-1和 (b) PA-PT-NP@PAH-BioHOF-1的多酶级联反应示意图。

图3. 不同形式的 (a) ADH-AmDH和 (b) PAMO-PTDH级联体系的相对活性。F代表游离体系，PAH-BioHOF-1代表聚电解质辅助的包封体系，BioHOF-1代表直接共沉淀的包封体系。
该聚电解质辅助包封策略的通用性和高效性还在基于HOF-101的生物纳米反应器的构建中得到了进一步验证。这种PAH-HOF还为内部包封的酶分子和辅因子提供了卓越的稳定性以及循环使用性（图4）。因此，该研究为创建各种基于HOF的辅因子依赖的多酶级联纳米反应器开辟了一条新的途径。

图4. (a) A-Am-N@PAH-BioHOF-1和 (b) PA-PT-NP@PAH-BioHOF-1在不同处理条件下的稳定性；(c) A-Am-N@PAH-BioHOF-1和 (d) PA-PT-NP@PAH-BioHOF-1的循环使用性。
相关工作发表在 Angewandte Chemie International Edition 上，该论文第一作者是天津大学博士 刘思 ，通讯作者是天津大学 孙彦 教授。该研究工作得到了国家重点研发计划项目的大力支持。
原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：
Co-Encapsulating Cofactor and Enzymes in Hydrogen-Bonded Organic Frameworks for Multienzyme Cascade Reaction with Cofactor Recycling
Si Liu and Yan Sun*
Angew. Chem. Int. Ed ., 2023 , DOI: 10.1002/anie.202308562
通讯作者介绍
孙彦 教授 博导
天津大学
天津大学生物化工学科带头人，“长江学者奖励计划”特聘教授，国家杰出青年科学基金获得者。主要研究方向包括生物催化、生物分离、蛋白质聚集及其抑制、纳/微马达的设计和应用等基础和应用基础研究。
https://www.x-mol.com/university/faculty/13319

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