大自然精確地控制著每個細(xì)胞中數(shù)千種化學(xué)反應(yīng)。其中許多形成復(fù)雜的反應(yīng)鏈，類似于多米諾骨牌的下降線：當(dāng)酶觸發(fā)鏈的反應(yīng)時，其他反應(yīng)按順序觸發(fā)。這種反應(yīng)級聯(lián)難以在生命系統(tǒng)之外重建。
即使當(dāng)使用與自然界中產(chǎn)生的催化劑相同的催化劑時，當(dāng)在試管中進(jìn)行級聯(lián)時，通常也不可能實現(xiàn)天然存在的反應(yīng)速率。寫于Angewandte Chemie，Megarity等。1報告了這個問題的解決方案，模擬了一種促進(jìn)效率的自然發(fā)生的策略：合作催化劑的共定位。
使用酶催化反應(yīng)提供了使用常規(guī)催化劑的替代方案，并且可以極大地提高化學(xué)過程的可持續(xù)性，安全性和成本2。當(dāng)在單個反應(yīng)容器中順序進(jìn)行多個化學(xué)反應(yīng)時，優(yōu)點被放大，類似于在細(xì)胞中發(fā)生反應(yīng)級聯(lián)的方式。這些優(yōu)勢促使科學(xué)家設(shè)計出改進(jìn)的酶促反應(yīng)平臺，盡管難以在細(xì)胞外重構(gòu)多酶級聯(lián)過程3。
生物反應(yīng)通常需要將電子穿梭到催化劑上，使用幾種共同定位于細(xì)胞中的蛋白質(zhì)和小分子載體。一些策略可以促進(jìn)細(xì)胞中的這種電子穿梭，包括在穿梭路徑4中的伙伴之間的高親和力相互作用的工程化。這種相互作用可以通過蛋白質(zhì) - 蛋白質(zhì)界面5，通過酶活性位點6中的小分子的結(jié)合以及通過區(qū)分單個細(xì)胞器7內(nèi)的反應(yīng)物來實現(xiàn)。這三種方法的組合用于細(xì)胞中以形成納米級反應(yīng)器，與溶液8中自由發(fā)生的類似過程相比，這加速了反應(yīng)。
Megarity等。設(shè)想通過將酶在合成納米反應(yīng)器中捕獲在大量電子表面上來模擬這種自然過程，從而促進(jìn)為生物催化反應(yīng)提供動力所需的電子傳輸。從同一組作為當(dāng)前作者的研究人員此前曾報道9調(diào)用酶鐵氧還蛋白NADP+還原酶(FNR)與由氧化銦錫(ITO)制成的電極的孔緊密結(jié)合。在自然系統(tǒng)中，F(xiàn)NR從稱為鐵氧還蛋白的蛋白質(zhì)配偶體接受兩個電子。電極和FNR之間的相互作用模擬了ferrodoxin-FNR蛋白質(zhì) - 蛋白質(zhì)相互作用的靜電。更具體地，電極的帶負(fù)電荷的表面模擬帶負(fù)電荷的鐵氧還蛋白斑，其與FNR的帶正電荷的表面形成界面(圖1a)。
FNR使用從鐵氧還蛋白接收的電子來化學(xué)還原稱為NADP+的小分子- 一種充當(dāng)電子穿梭器的輔助因子。然后，還原形式的輔因子NADPH可以將電子傳遞給級聯(lián)中的下一個酶(圖1a)。ITO電極提供高定位的電子濃度，Megarity等人。預(yù)計它們可以通過用納米多孔ITO表面代替鐵氧還蛋白來增強天然FNR系統(tǒng)，該表面將FNR與在級聯(lián)中執(zhí)行*后步驟的伴侶酶共同捕獲(圖1b)。
為了證明這一概念，作者首先確定FNR和第二種酶(醇脫氫酶; ADH)可以共同包裹在ITO電極的無序孔中。當(dāng)FNR和ADH都被吸附到電極上并置于含有NADP+和ADH底物的溶液中時，作者觀察到反應(yīng)產(chǎn)物的形成。他們還觀察到電流，其大小取決于存在的FNR的量，表明發(fā)生了FNR介導(dǎo)的電子穿梭。
Megarity等。發(fā)現(xiàn)裝有酶的電極可以通過用水徹底沖洗然后將其插入反應(yīng)基質(zhì)的新鮮溶液中來重復(fù)使用。這不僅證明了它們的設(shè)置的穩(wěn)健性，而且還表明FNR和ADH都在電極孔內(nèi)緊密結(jié)合。相比之下，作者發(fā)現(xiàn)NADP+大部分不會保留在孔隙中，必須加入到反應(yīng)溶液中以恢復(fù)高反應(yīng)速率。
作者的系統(tǒng)簡化了電子傳輸并加速了由電子轉(zhuǎn)移到FNR引發(fā)的級聯(lián)的輔助因子再生速率。研究人員估計，這種納米細(xì)化策略導(dǎo)致局部濃度為1.6毫摩爾 - 比溶液濃度高約1,000倍 - 對于孔中的每個催化成分，這減少了輔助因子在FNR和ADH之間行進(jìn)所需的距離與距離相比如果反應(yīng)純粹在溶液中進(jìn)行，則需要。結(jié)果，產(chǎn)品形成的總體速率增加。Megarity及其同事計算出反應(yīng)中的每個“*小催化單位” - 反應(yīng)所需的*少量的酶分子和輔因子;在這種情況下，一個FNR，
令人鼓舞的是，作者表明，在其系統(tǒng)中可以使用其他三種NADPH依賴性酶代替ADH來催化各種還原反應(yīng)。這表明納米細(xì)化方法可以對NADPH依賴性生物催化轉(zhuǎn)化具有廣泛的應(yīng)用 - 盡管觀察到的每種酶的反應(yīng)動力學(xué)是不同的。需要進(jìn)一步的工作來定義NADPH依賴性酶的全部范圍和由非NADPH輔助因子驅(qū)動的酶類，這些酶與該策略相容。
例如，在作者的系統(tǒng)中測試除FNR之外的還原酶將揭示多孔電極是否通常可以作為電子穿梭途徑中蛋白質(zhì)的電子來源，以及該策略是否可用于再循環(huán)除NADPH之外的輔助因子。許多類酶依賴于電子傳遞，并且允許它們在生物系統(tǒng)外的反應(yīng)中有效使用的一般策略可以顯著改善這種反應(yīng)的可擴展性。它還可以促進(jìn)電子供應(yīng)伙伴未知的酶的研究。
Megarity及其同事的工作探索了兩種酶的納米細(xì)胞。人們還可以想象將額外的酶包裝到電極孔中以提高更復(fù)雜的多酶級聯(lián)的效率。因此，合成區(qū)室化系統(tǒng)的使用可以用于酶法生產(chǎn)化學(xué)工業(yè)中大規(guī)模生產(chǎn)的簡單“商品”化學(xué)品和結(jié)構(gòu)上復(fù)雜的分子，例如藥劑。
客服一
