南丹麦大学吴昌柱课题组 Angew：酶与超分子聚合物结合实现可循环的光生物催化

2024-02-27 来源：高分子科技

酶分子由于其卓越的催化特性在各种应用中变得越来越重要，然而它们的实际应用往往受到其固有特性的限制，例如反应范围窄和使用寿命短。近年来，研究人员致力于开发新型的酶分子修饰方法以克服这些限制，目前主要通过两种方法：酶的基因工程和化学修饰。时至今日，基因工程方法已经日趋成熟，但经常需要投入大量的时间精力来达到预期效果。相比之下，酶的化学修饰，尤其是使用功能性聚合物对酶进行修饰的方法再生物技术和化学研究中日渐兴起。由此，作者提出了一种利用超分子聚合物修饰酶分子来得到超分子酶（SupEnzyme）的设想。

超分子化学发展至今已经成为创造新物质、实现新功能的一种有效的方法。通过分子设计，可以对超分子组装体系实现精确控制。利用这一性质，将合成超分子与具有催化活性的酶分子结合可以创造出具有全新的功能的物质，然而，这一领域迄今并没有得到充分发展：一是由于需要选择恰当的方法在不影响酶活性及溶解性的前提下将二者结合；二是超分子组装系统通常需要大量的超分子作用聚集在一起，增加了对酶修饰的难度。因此，作者在本研究中，采用超分子聚合物与酶结合用于实现可循环的光生物催化。

酶的化学修饰因其直接、稳健和高效而在酶工程领域出类拔萃，但在设计通用而有效的修饰策略方面仍然存在挑战。采用聚合物，尤其是功能性超分子聚合物对酶进行修饰可以赋予酶分子广泛的应用潜力，例如通过分子组装开发智能材料或通过分子识别实现催化。酶和预先合成的高分子聚合物可以通过嫁接支链法（grafting-to）形成酶-聚合物缀合物（enzyme-polymer conjugates），实现高效可控的酶修饰。

近日，南丹麦大学吴昌柱课题组与上海科技大学李健课题组合作，设计了一种含环糊精的苯乙烯马来酸（β-CD@SMA）超分子共聚物，并通过活化酯法将其与酶分子高效结合，形成超分子酶（supramolecular enzymes, SupEnzyme）。SupEnzyme可以与客体聚合物（guest polymer）进一步组装成聚集体，最终用于实现可循环的光生物催化级联反应。该研究以题为“Integrating Enzymes with Supramolecular Polymers for Recyclable Photobiocatalytic Catalysis”的论文发表在Angewandte Chemie期刊上。

图1. SupEnzyme的表征。

作者通过蛋白免疫印迹、傅里叶变换红外光谱、圆二色谱、动态光散射和热重分析等手段表征、分析了SupEnzyme的形成和形态结构。结果表明，SupEnzyme由超分子共聚物β-CD@SMA和酶分子通过共价键紧密结合，并且在反应过程中通过形成胶束进行界面生物催化。同时，超分子聚合物赋予了酶分子新的交互能力，即超分子主客体相互作用和电荷相互作用。在此基础上，SupEnzyme可以结合含有对应客体和相反电荷的聚合物（PAD）形成聚集体（aggregate），实现从均相催化剂到非均相催化剂的转换并循环回收。经过7次循环，聚集体仍有80%的活性，远远高于商品催化剂Novozym 435（N435，约保留20%活性）。

图2. SupEnzyme及其聚集体（SupEnzyme/PAD）的催化活性。

SupEnzyme与客体聚合物所形成的聚集体不仅可用于酶的回收利用，还可以通过在客体聚合物（PAD-AQ）中引入化学催化剂实现聚集体的可循环光生物催化级联反应。反应在水和乙酸苄酯组成的 “水-底物”体系中进行。通过对比试验发现，聚集体对酶活性具有保护作用，并且在循环5次后，聚集体中的酶活性保持在70%，化学催化剂活性保留了90%。同时，级联反应的成功也说明超分子酶聚集体具有成为多样化平台的潜力，可以将不同的酶与生物相容性的有机催化剂结合在同一骨架中。

图3. 聚集体用于可循环的光生物催化级联反应。

为了验证超分子酶体系的通用性，作者采用了另外两种不同的酶-乙醇脱氢酶（ADH）和环氧化物水解酶（EH）用于 SupEnzyme 的制备，得到两种 SupEnzyme - ADH-Sup 和 SpEH-Sup。聚集体的回收实验表明，在循环5次后，ADH-Sup/PAD 保留了超过 80% 的初始活性，而 SpEH-Sup/PAD 保留了60%的活性。这些结果再次表明了聚集体对酶活性的保护作用，以及超分子酶体系的通用性，为将来研究多功能聚集体开辟了道路。

图4. 其他酶的SupEnzyme的制备及循环利用.

本研究成功通过温和的化学修饰实现了催化活性酶与超分子聚合物的紧密结合，赋予所形成的缀合物全新的功能，并表现出了方法的可延伸性。此外，缀合物中的超分子结构可以与客体聚合物相互作用，在提高活性、稳定性的同时引入光催化剂，实现可循环的光生物催化级联反应。该方法成功地在其他酶上延伸应用，阐明了该方法在多样的酶与聚合物结合问题上具有的通用性，为未来研究酶修饰和酶工程提供了新策略。

论文信息

Integrating Enzymes with Supramolecular Polymers for Recyclable Photobiocatalytic Catalysis

Jingping Ouyang, Zhenfang Zhang, Jian Li*, Changzhu Wu*

Angewandte Chemie International Edition

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202400105

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（责任编辑：xu）

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