清華新聞網(wǎng)4月30日電 近日，清華大學(xué)化工系王玉軍課題組與中國(guó)科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所孫周通課題組合作，通過(guò)三唑類(lèi)分子和金屬離子的多位點(diǎn)協(xié)同橋接作用，實(shí)現(xiàn)了誘導(dǎo)醇脫氫酶自聚形成具有高活性和穩(wěn)定性的多孔水凝膠，填補(bǔ)了領(lǐng)域內(nèi)對(duì)基于弱作用的無(wú)載體固定化酶研究的空白。
近年來(lái)，酶催化已成為可持續(xù)生產(chǎn)高值化學(xué)品的關(guān)鍵工業(yè)技術(shù)，具有出色的立體選擇性和低環(huán)境足跡。然而，酶的本質(zhì)柔性限制了其長(zhǎng)期使用的穩(wěn)定性。并且，其水溶性導(dǎo)致回收成本高昂。因此，酶催化劑通常在一次使用后被廢棄，這與循環(huán)經(jīng)濟(jì)的原則相矛盾。生物大分子固定化技術(shù)的發(fā)展為解決這些問(wèn)題提供了可能，但固定化過(guò)程難以平衡催化活性與穩(wěn)定性之間的矛盾。大多數(shù)方案通過(guò)強(qiáng)相互作用（例如共價(jià)鍵）或弱相互作用（如物理吸附）將生物大分子與宿主載體結(jié)合。然而，強(qiáng)相互作用通常導(dǎo)致活性喪失甚至完全失活，而弱相互作用又存在穩(wěn)定性低的缺陷。
圖1.酶自聚水凝膠形成過(guò)程：三唑分子誘導(dǎo)的預(yù)凝膠化與鎂離子促進(jìn)的進(jìn)一步凝膠化
圖2.酶自聚水凝膠的性能與機(jī)制解析。(a)宏微觀(guān)特性；(b)催化不對(duì)稱(chēng)還原反應(yīng)的活性比較；(c)重復(fù)使用性；(d)原位生長(zhǎng)過(guò)程監(jiān)測(cè)；(e)橋接界面；(f)鎂離子對(duì)界面穩(wěn)定性的影響
在這項(xiàng)工作中，團(tuán)隊(duì)將該策略（圖1）制得的無(wú)載體固定化酶用于酮的不對(duì)稱(chēng)還原反應(yīng)，取得了高于游離酶3~5倍的比活性，且具有優(yōu)異的可重復(fù)使用性（圖2）。進(jìn)一步，團(tuán)隊(duì)利用冷凍電鏡技術(shù)成功解析了凝膠酶的高分辨率三維結(jié)構(gòu)（2.1?）。
基于近原子級(jí)結(jié)構(gòu)，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，醇脫氫酶W110殘基在凝膠化后發(fā)生了94.5°翻轉(zhuǎn)，同時(shí)底物結(jié)合口袋顯著擴(kuò)大，提高了催化效率。本征動(dòng)力學(xué)分析表明，根據(jù)米氏方程擬合得到的凝膠酶的kcat為15.45 s-1，達(dá)到了游離酶的6.3倍。并且還發(fā)現(xiàn)，鎂離子的配位作用提升了酶的魯棒性，使得凝膠化酶在高溫、有機(jī)溶劑、長(zhǎng)時(shí)間儲(chǔ)存等不利條件下的穩(wěn)定性顯著增強(qiáng)。其中，凝膠酶的中點(diǎn)融化溫度相比于游離酶提高了35.2°C。通過(guò)深入的機(jī)理研究，團(tuán)隊(duì)揭示了三唑分子與鎂離子的協(xié)同作用，即三唑分子誘導(dǎo)的酶的弱聚界面為鎂離子的多齒螯合提供了機(jī)會(huì)位點(diǎn)，且鎂離子的配位作用能夠進(jìn)一步鎖定界面上的三唑分子，證實(shí)了兩者在酶自聚水凝膠形成過(guò)程中的不可或缺性。基于這些認(rèn)識(shí)，團(tuán)隊(duì)成功實(shí)現(xiàn)了另外兩種具有不同結(jié)構(gòu)的醇脫氫酶的凝膠固定化，并獲得了較好的重復(fù)使用性能，拓寬了該方法的應(yīng)用范圍。這種固定化酶的多級(jí)孔和高比活特性，有望在新型微通道酶反應(yīng)器的構(gòu)建中發(fā)揮重要作用。
該研究以“基于三唑類(lèi)分子和金屬離子的協(xié)同橋接實(shí)現(xiàn)高活性和穩(wěn)定性的醇脫氫酶自聚水凝膠”（Active and stable alcohol dehydrogenase-assembled hydrogels via synergistic bridging of triazoles and metal ions）為題，于4月13日發(fā)表在《自然·通訊》（Nature Communications）期刊上。
清華大學(xué)化工系2019級(jí)博士生陳強(qiáng)為論文的第一作者，論文共同通訊作者為清華大學(xué)化工系王玉軍教授、中國(guó)科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所孫周通研究員。該研究得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的資助。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41467-023-37921-y
供稿：化工系
題圖設(shè)計(jì)：梁晨
編輯：李華山
審核：郭玲
