xiaokeshengming的个人博客分享 http://blog.sciencenet.cn/u/xiaokeshengming

博文

首次!中国科学家用分子组装实现无辅因子催化

已有 464 次阅读 2020-12-1 09:51 |个人分类:小柯生命|系统分类:论文交流

北京时间2020年12月1日凌晨0时,《自然—材料》(Nature Materials)在线发表国家纳米科学中心丁宝全课题组、施兴华、王会课题组和北京化工大学王振刚课题组、清华大学刘冬生教授合作的研究论文。

论文题为“Cofactor-free oxidase-mimetic nanomaterials from self-assembled histidine-rich peptides”,是研究人员在生物分子自组装催化领域取得的新进展。


这项工作首次报道了在无辅因子的情况下,仅依靠分子组装和氨基酸残基的协作,亦可实现类氧化还原酶的催化功能。


7.png


蛋白质是生命体的基本组成物质,也是生物体内许多生命活动的重要参与者。其中,由蛋白质构成的天然酶,因其可在极为温和的条件下对底物进行高效特异地催化,在生命活动和生产生活中均发挥着重要作用。

 

在关于酶的研究中,科学家们关心的一个重要问题就是天然酶的进化过程。众所周知,酶的催化特性取决于其催化反应活性中心的特定结构,这使得大部分天然酶只能在适宜条件下发挥其催化活性,且容易失活。以氧化还原酶(如过氧化物酶、漆酶、葡萄糖氧化酶等)为例,其催化活性来自于活性位点附近精确排布的氨基酸残基和辅因子(Cofactor)的相互协作,其中辅因子对于电子传递起着关键作用。

 

当这些酶经受诸如低pH或高温等极端环境时,酶活性位点附近的氨基酸残基的空间排布会被不可逆地破坏,辅因子发生偏移或者脱落。即使再恢复到适宜条件,酶的活性也难以恢复。考虑到在生命诞生初期的高温和强酸性环境下,结构复杂的现代天然酶无法正常发挥功能,辅因子的多步生物合成亦无法实现,因此有学者推测早期的天然酶很可能仅仅由具有简单重复序列的短肽构成。

 

8.png

图1.示意图:a)辣根过氧化物酶(左侧)和抹香鲸肌红蛋白(右侧)活性中心结构;b)聚组氨酸多肽自组装过程;c)聚组氨酸多肽自组装结构催化模式。


丁宝全课题组在功能化生物分子自组装体系的研究已经取得一系列进展。而基于酶催化原理和结构特点所开发的生物分子自组装结构为酶的从头设计与构造提供了有效途径。科学家们构建出的各种新型自组装模拟酶,特别是不含辅因子的模拟酶,对理解从原始简单分子到现代复杂天然酶的进化途径具有重要意义。

 

在前期工作中,丁宝全课题组利用生物分子与辅因子自组装构建出了具有良好催化性能的模拟酶,可催化H2O2同多种底物之间的氧化还原反应。

 

在探索不同生物分子自组装体系的过程中,研究人员偶然发现长链聚组氨酸多肽在特定条件下,即便未加入任何辅因子,亦可表现出类过氧化物酶的催化活性。

 

基于此项发现,丁宝全研究员与王振刚教授合作提出了一种全新的不含辅因子的多肽自组装催化体系。研究表明,仅含有组氨酸重复序列的多肽(从二肽到十五肽)能自组装形成大尺寸的片状或带状晶体结构,并表现出明显的类过氧化物酶催化活性,可催化H2O2氧化包括四甲基联苯胺(TMB)在内的多种底物。随着多肽分子链相互作用增强,自组装结构的比催化活力(Viper His)更是成指数级提高。

 

而当多肽链长度进一步增加时(从十六肽到二十肽),多肽分子链无规卷曲增多,只能组装形成无定形的颗粒状结构,且比催化活力显著下降。理论计算和实验结果证实,聚组氨酸多肽以COO-和NH3+为末端,在氢键、电荷和π-π堆积共同作用下,采用β-sheet形式自组装形成晶体。

 

在催化反应时,先在其(010)晶面上与H2O2和TMB分子共吸附形成三元复合物,之后通过夺氢反应、超氧自由基OOH•形成、质子转移反应,生成水和TMB阳离子自由基,最后回到初始态。该催化剂在经历十次乃至数百次的加热/冷却或者酸化/中和循环后,催化活力没有明显损失。

 

作为对照,含有血红素辅因子的天然酶或模拟酶在经过十次类似循环处理后,活力均降低80%以上。考虑到自组装材料表面的组氨酸可参与催化反应,作者通过进一步的序列设计,将成纤多肽与聚组氨酸多肽结合,提高自组装催化剂的比表面积,使更多组氨酸残基暴露于表面,可将催化剂活性提高将近一个数量级。

 

9.png

图2. a)十五肽自组装结构的扫描电镜图(inset为带状结构)、电子衍射图和高分辨电镜图;b)聚组氨酸肽的二级结构、活力与分子链长的定量关系;c)聚组氨酸多肽催化过程的理论模型;d)多肽催化剂(十五肽,H15)与天然过氧化物酶(HRP)活力对热处理和酸处理的响应性。


这项工作首次报导了在无辅因子的情况下,仅依靠分子组装和氨基酸残基的协作,亦可实现类氧化还原酶的催化功能。这项发现不仅为设计新型仿生催化材料提供了新的思路,也为原始酶提供了一种可能的假想模型。在生命起源前的复杂环境里,无辅因子的多肽自组装结构经过多次失活和活化后,将仍然可能发挥催化功能。

 

国家纳米科学中心的刘清博士和博士研究生生万铠玮为该论文的共同第一作者,北京化工大学的王振刚教授、国家纳米科学中心的王会副研究员和丁宝全研究员为该论文的共同通讯作者。

 

该研究得到了国家自然科学基金、北京化工大学中央高校基本科研业务费、北京市科技计划、中科院战略性先导科技专项及前沿科学重点研究计划、科技部重点研发计划等项目的支持。

 

相关论文信息:

DOI: 10.1038/s41563-020-00856-6




http://blog.sciencenet.cn/blog-3423233-1260597.html

上一篇:德国马普生化所团队鉴定出一种新的双链RNA感知蛋白
下一篇:天津医科大学总医院刘强团队阐明免疫细胞加速正常脑衰老的机理

0

该博文允许注册用户评论 请点击登录 评论 (0 个评论)

数据加载中...
扫一扫,分享此博文

Archiver|手机版|科学网 ( 京ICP备07017567号-12 )

GMT+8, 2021-1-16 09:08

Powered by ScienceNet.cn

Copyright © 2007- 中国科学报社

返回顶部