酶級聯(lián)反應(yīng)體系在信號轉(zhuǎn)導(dǎo)與放大以及代謝與催化途徑中發(fā)揮重要的作用。在細胞中的酶總是存在于亞細胞器中或是形成酶復(fù)合體,這種空間受限效應(yīng)使得不同酶之間的中間產(chǎn)物更容易通過底物溝道效應(yīng)(Substrate channeling)從前一個酶輸送至后一個酶,從而提高酶級聯(lián)反應(yīng)的效率。受自然界中酶復(fù)合物的啟發(fā),基于各種載體的人造酶復(fù)合體開始出現(xiàn),例如:基于蛋白質(zhì)以及核酸的支架體系、脂質(zhì)體或聚合物體系、無機納米顆粒體系。然而,目前幾乎沒有可以有效地調(diào)控人造酶復(fù)合體的方法,導(dǎo)致酶復(fù)合體的研究難以深入。
為了解決這個問題,北京大學(xué)跨學(xué)部生物醫(yī)學(xué)工程系高衛(wèi)平研究員課題組以常見的葡萄糖氧化酶(GOX)/辣根過氧化酶(HRP)級聯(lián)反應(yīng)對為例(圖1),通過化學(xué)生物學(xué)在GOX和HRP上引入原子轉(zhuǎn)移自由基聚合(ATRP)引發(fā)劑,然后,通過ATRP在GOX和HRP上同時原位生長不溶于水的聚合物PHPMA,原位高效地形成GOX/HRP-PHPMA偶聯(lián)物共膠束。這種方法被命名為PICA方法。
圖1、可控合成酶-高分子偶聯(lián)物共膠束級聯(lián)反應(yīng)體系示意圖。
研究結(jié)果表明,增加GOX/HRP的投料比可以提高共膠束中GOX/HRP的比例(圖2a)。共膠束的級聯(lián)反應(yīng)活性隨GOX/HRP比增加而大幅度提高,特別是在高GOX/HRP比條件下其活性是自由GOX/HRP混合物的數(shù)倍(圖2b)。在高濃度底物競爭酶catalase存在的情況下共膠束仍然保持活性,而自由GOX/HRP混合物則不能(圖2c)。這表明鄰近溝道效應(yīng)是導(dǎo)致其級聯(lián)反應(yīng)活性大幅度提高的重要原因。由于鄰近溝道效應(yīng),共膠束對葡萄糖的檢測速度比商用葡萄糖檢測試劑盒更快(圖3d)。這些新發(fā)現(xiàn)不僅為仿生構(gòu)筑人造酶復(fù)合物級聯(lián)反應(yīng)體系提供新方法,而且有助于深入理解天然酶復(fù)合物級聯(lián)反應(yīng)體系和發(fā)現(xiàn)其潛在應(yīng)用。
圖2:(a)共膠束中GOX/HRP的比例隨著它們的投料比增加而增加;(b)共膠束級聯(lián)反應(yīng)活性隨GOX/HRP比增加而大幅度提高;(c)共膠束在高濃度底物競爭酶存在的情況下仍然保持活性;(d)共膠束對葡萄糖的檢測速度比商用葡萄糖檢測試劑盒更快。
以上的相關(guān)成果發(fā)表在Nano Letters(DOI: 10.1021/acs.nanolett.9b04959),高衛(wèi)平研究員為本文的通訊作者,其清華大學(xué)碩士生江祺瑋為第一作者。
論文鏈接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.9b04959?ref=pdf
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