天然的氧化還原酶(如過氧化物酶、漆酶、葡萄糖氧化酶等)主要依賴活性位點(diǎn)附近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)。基于酶催化原理和結(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(短為二肽)，以COO-和NH3+為末端，通過氫鍵、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(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，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。活力的響應(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，無輔因子的多肽組裝結(jié)構(gòu)經(jīng)過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)中央高校基本科研業(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程的理論模型；(d)多肽催化劑(十五肽，H15)與天然過氧化物酶(HRP)活力對(duì)熱處理和酸處理的響應(yīng)性