近日，中國(guó)科學(xué)院國(guó)家納米科學(xué)中心丁寶全課題組與施興華、王會(huì)課題組，聯(lián)合北京化工大學(xué)王振剛課題組、清華大學(xué)教授劉冬生，在生物分子自組裝催化研究領(lǐng)域取得新進(jìn)展。相關(guān)研究成果以Cofactor-free oxidase-mimetic nanomaterials from self-assembled histidine-rich peptides為題，在線發(fā)表在《自然-材料》上（Nature Materials，2020，DOI: 10.1038/s41563-020-00856-6）。

天然的氧化還原酶（如過(guò)氧化物酶、漆酶、葡萄糖氧化酶等）主要依賴活性位點(diǎn)附近精確排布的氨基酸殘基和輔因子（Cofactor）相互協(xié)作高效地催化底物的氧化還原反應(yīng)，其中輔因子對(duì)于電子傳遞起關(guān)鍵作用。然而，在環(huán)境升溫或pH波動(dòng)時(shí)，隨著多肽鏈的解折疊，反應(yīng)性氨基酸殘基的空間排布發(fā)生改變，導(dǎo)致輔因子的移位、脫落甚至聚集，從而使酶不可逆地失活。

丁寶全課題組在自組裝生物分子的功能化研究方面已取得一系列進(jìn)展（Angewandte Chemie International Edition, 2018, 57, 15486; Nature Biotechnology, 2018, 3, 258; Nature Materials, 2020, DOI: 10.1038/s41563-020-0793-6）?；诿复呋砗徒Y(jié)構(gòu)特點(diǎn)發(fā)展的超分子自組裝為酶的從頭設(shè)計(jì)與構(gòu)造提供了有效途徑，研究人員在前期工作中通過(guò)DNA/多肽/多糖分子自組裝構(gòu)建出輔因子依賴性的類酶活性位點(diǎn)（Chemistry-A European Journal, 2019, 25, 12576-12582; ACS Catalysis, 2018, 8, 7016-7024; ACS Nano 2017, 11, 7251-7258.）。對(duì)于輔因子依賴的氧化酶或模擬酶而言，其是否能在缺乏輔因子的情況下，僅依靠分子組裝和氨基酸殘基的協(xié)作而實(shí)現(xiàn)催化功能，尚不清楚。

血紅素蛋白是一類以血紅素（鐵原卟啉）為輔因子的蛋白。在過(guò)氧化物酶、血紅蛋白或一系列血紅素模擬酶活性位點(diǎn)中，組氨酸殘基作為配體或酸堿催化劑，可顯著提升血紅素的催化活性。考慮到組氨酸側(cè)鏈咪唑的特性，科研人員設(shè)計(jì)出不同長(zhǎng)度的聚組氨酸肽（最短為二肽），以COO-和NH3+為末端，通過(guò)氫鍵、電荷或者π-π堆積作用，組裝形成了可至毫米級(jí)別的大尺寸片狀單晶或者帶狀結(jié)構(gòu)；在不含有血紅素輔因子及金屬時(shí)，表現(xiàn)出顯著的催化H2O2氧化四甲基聯(lián)苯胺（TMB）、高香草基酸（HVA）或煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（NADH）的活力。研究系統(tǒng)考察了自組裝催化劑的結(jié)構(gòu)和催化功能，發(fā)現(xiàn)聚組氨酸肽β-sheet二級(jí)結(jié)構(gòu)（貢獻(xiàn)氫鍵作用）、末端基團(tuán)（貢獻(xiàn)靜電作用）、側(cè)鏈咪唑（貢獻(xiàn)π-π堆積和氫鍵作用）協(xié)同促進(jìn)多肽鏈規(guī)整排列，形成晶體結(jié)構(gòu)，后者決定了自組裝材料的比催化活力（Vi per His），表明活力與組裝的密切關(guān)系。ICP-MASS、EDTA與金屬/I-添加實(shí)驗(yàn)表明，催化劑的活力并非源于痕量金屬或者I-。催化動(dòng)力學(xué)、電子順磁共振波譜和理論計(jì)算結(jié)果表明，催化劑通過(guò)（010）晶面的組氨酸殘基、以多重非共價(jià)相互作用吸附H2O2和TMB形成三元復(fù)合物，通過(guò)奪氫反應(yīng)、超氧自由基OOH.形成、質(zhì)子轉(zhuǎn)移反應(yīng)，生成水和TMB陽(yáng)離子自由基，最后回到初始態(tài)。經(jīng)歷10次乃至數(shù)百次的加熱/冷卻或者酸化/中和循環(huán)后，該催化劑的活力沒有損失?；盍Φ捻憫?yīng)性變化與組裝結(jié)構(gòu)的解離、重構(gòu)對(duì)應(yīng)，進(jìn)一步證明活力與組裝的關(guān)聯(lián)；而含有血紅素的天然酶或模擬酶在經(jīng)過(guò)十個(gè)循環(huán)處理后，活力均降低80%以上。研究進(jìn)一步將成纖多肽與聚組氨酸多肽化學(xué)偶連，引導(dǎo)聚組氨酸形成纖維狀結(jié)構(gòu)，提高催化劑的比表面積使更多的組氨酸殘基暴露于表面，能夠?qū)OF（turnover frequency）提高一個(gè)數(shù)量級(jí)。該研究有望為設(shè)計(jì)先進(jìn)的仿生催化材料提供新思路。這些無(wú)輔因子的超分子催化材料也為原始酶提供了一種可能的假想模型；在生命起源前的復(fù)雜環(huán)境里，無(wú)輔因子的多肽組裝結(jié)構(gòu)經(jīng)過(guò)多次失活和活化將仍可能發(fā)揮催化功能。

國(guó)家納米科學(xué)中心博士劉清、博士研究生萬(wàn)鎧瑋為論文的共同第一作者，北京化工大學(xué)教授王振剛、國(guó)家納米科學(xué)中心副研究員王會(huì)與研究員丁寶全為論文的共同通訊作者。研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金、北京化工大學(xué)中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)、北京市科技計(jì)劃、中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)及前沿科學(xué)重點(diǎn)研究計(jì)劃、科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等的支持。

圖1.示意圖：（a）辣根過(guò)氧化物酶（左側(cè)）和抹香鯨肌紅蛋白（右側(cè)）活性中心結(jié)構(gòu)；（b）聚組氨酸多肽自組裝過(guò)程；（c）聚組氨酸多肽自組裝結(jié)構(gòu)催化模式

圖2.（a）十五肽自組裝結(jié)構(gòu)的掃描電鏡圖（inset為帶狀結(jié)構(gòu)）、電子衍射圖和高分辨電鏡圖；（b）聚組氨酸肽的二級(jí)結(jié)構(gòu)、活力與分子鏈長(zhǎng)的定量關(guān)系；（c）聚組氨酸多肽催化過(guò)程的理論模型；（d）多肽催化劑（十五肽，H15）與天然過(guò)氧化物酶（HRP）活力對(duì)熱處理和酸處理的響應(yīng)性