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  酶在生命活動(dòng)中扮演著十分重要的角色。它是一種具有高度底物特異性和高效催化作用的生物大分子,細(xì)胞的各種生化代謝過(guò)程皆需要在酶的參與下才能正常完成。目前，酶廣泛應(yīng)用在生物醫(yī)療、生產(chǎn)生活等領(lǐng)域，但天然酶存在著穩(wěn)定性差、在反應(yīng)過(guò)程中其催化活性難以控制等問(wèn)題，需要研究構(gòu)建出具有新的特性的酶來(lái)滿足人們的應(yīng)用需求。如何精確、可逆地調(diào)控酶的生物活性就具有了非凡的研究意義。

  光是一種用于原位化學(xué)和生物控制較為理想的外部控制元件，具有良好的時(shí)空特異性和非侵入性，可提供無(wú)污染、無(wú)創(chuàng)（一定波長(zhǎng)范圍內(nèi)）的便捷外部刺激。但絕大多數(shù)天然酶都不具備光響應(yīng)性，要構(gòu)建光響應(yīng)酶，需要在酶的結(jié)構(gòu)中引入光敏元件，這往往涉及復(fù)雜的化學(xué)、生物合成且很難實(shí)現(xiàn)可逆調(diào)控；另一方面，激活這些光敏元件通常需要能量較高的紫外光或藍(lán)光，而這些短波長(zhǎng)的光會(huì)產(chǎn)生光毒性，組織穿透能力較差，不利于在活體條件下進(jìn)行酶活調(diào)控。

  針對(duì)上述問(wèn)題，華東師大生命科學(xué)學(xué)院程義云團(tuán)隊(duì)在生物酶上修飾溫敏高分子和光熱元件，實(shí)現(xiàn)了近紅外光對(duì)酶生物活性的“開(kāi)關(guān)式”可逆調(diào)控，這一成果近日發(fā)表于Science Advances (2019, 5, eaaw4252)。

  在前期工作中，該課題組在酶內(nèi)部引入了光熱轉(zhuǎn)換元件，借助局部光熱效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了近紅外光對(duì)酶分子的局部加熱和酶活性的動(dòng)態(tài)調(diào)控（Angew. Chem. Int. Ed. 2017, 56, 6767）。但是該研究雖然能夠通過(guò)近紅外光動(dòng)態(tài)地調(diào)控酶的活性，但是在不進(jìn)行光照時(shí)并不能有效地關(guān)閉酶的活性，而且酶活的調(diào)節(jié)范圍非常有限，只能在光照條件下將酶活提高3倍左右。

  針對(duì)上述問(wèn)題，程義云團(tuán)隊(duì)在酶的表面合成了具有溫度敏感性的聚丙烯酰胺-丙烯腈共聚物，在酶的內(nèi)部引入對(duì)近紅外光響應(yīng)的鉑納米顆粒（圖1），實(shí)現(xiàn)了近紅外光可逆地調(diào)控酶活的開(kāi)啟和關(guān)閉。聚丙烯酰胺-丙烯腈共聚物具有高臨界相轉(zhuǎn)變溫度。當(dāng)聚合物的局部溫度低于其相轉(zhuǎn)變溫度時(shí)，表現(xiàn)為疏水特性，在水相體系中凝聚成微米尺度的顆粒，從而有效阻止了底物接觸酶的催化中心，實(shí)現(xiàn)對(duì)酶活性的關(guān)閉；而當(dāng)聚合物所處的環(huán)境溫度高于其相轉(zhuǎn)變溫度時(shí)，表現(xiàn)為親水特性，酶復(fù)合物進(jìn)一步解聚成單分子形式，從而恢復(fù)酶的催化活性。利用酶內(nèi)部的超小光熱納米材料的局部光熱效應(yīng)，可以動(dòng)態(tài)調(diào)控酶所處的環(huán)境溫度以及酶的生物活性。該團(tuán)隊(duì)成員以葡萄糖淀粉酶、蛋白酶、核酸酶為研究對(duì)象（圖2-圖4），在調(diào)控過(guò)程中實(shí)現(xiàn)了數(shù)十倍的酶活調(diào)節(jié)。該研究為近紅外光可逆、開(kāi)關(guān)式調(diào)控酶的生物活性提供了新的方法和思路。

圖1：近紅外光可逆調(diào)控酶活的作用機(jī)制。

圖2：近紅外光可逆地打開(kāi)和關(guān)閉葡萄糖淀粉酶的活性。

圖3. 近紅外光調(diào)控葡萄糖淀粉酶的活性實(shí)現(xiàn)水凝膠光照?qǐng)D案化。

圖4. 近紅外光調(diào)控核酸酶的活性。

  該論文的通訊作者為華東師大生命科學(xué)學(xué)院、上海市調(diào)控生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的程義云研究員和張強(qiáng)研究員，第一作者為華東師大生命科學(xué)學(xué)院的碩士研究生張松。該研究成果得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、上海市科委等項(xiàng)目經(jīng)費(fèi)的大力支持。

  論文鏈接：https://advances.sciencemag.org/content/5/8/eaaw4252.abstract