基于酶催化的肽类分子动态自组装研究

Enzyme catalysis is ubiquitous in biological systems and has attracted much attention in the field of biochemical engineering and material science, owing to its high activity, specificity and biocompatibility. In this proposal, we fabricate highly dynamic materials with rationally designed architectures through the combination of enzymatic conversion and peptide self-assembly, and build physical models to describe the manipulation mechanism of mesoscale structures. Moreover, biological applications based on the self-assembled materials were further assessed. In specific investigation:①We design dynamic self-assembly system through rationally designed enzymatic reaction networks. This allows us to control the dynamic self-assembly of the peptides into hydrogels or nanomaterials with high spatiotemporal precision. ②We investigate the influences of the reaction and diffusion processes on the self-assembly of the peptides driven by enzyme catalysis and the mesoscale structures of the self-assembled materials. This allowed us to fabricate hierarchically ordered membranes. ③We investigate the thermodynamics and kinetics of the multi-phase enzyme-catalyzed self-assembly. This allows us to propose a physical model which could serve as theoretical basis to describe the manipulation and evolution mechanism of enzyme-triggered peptide self-assembly. ④Finally, the self-assembled materials with unique functions will be applied to bio-sensing and catalysis. The concepts, methodologies as well as results of this proposal can open an avenue for the green synthesis, multi-scale manipulation and practical applications of intelligent biological materials.

酶催化反应普遍存在于生命体系中，具有高效、专一、生物相容性好等优点，是生物化工、材料科学领域的研究热点。本项目将酶催化与多肽自组装相结合，以廉价易得的多肽或氨基酸为原料，从细胞代谢网络中的酶促反应获取灵感，构建酶催化诱导的动态自组装体系，合成智能型肽基仿生材料，并建立物理模型，实现相关材料在传感检测、生物催化领域的应用。具体研究中：①设计酶催化反应体系，实现对多肽分子自组装行为及材料结构与功能的时空动态调控，合成智能型凝胶以及多种肽基纳米材料；②考察扩散-反应的竞争与协同作用，对酶催化自组装及表界面介尺度结构的影响，合成多级有序的薄膜材料；③深入剖析酶催化反应与多肽自组装的热力学耦合机制以及动力学特性，建立物理模型，为介尺度结构调控提供理论基础；④基于材料物化特性，构建生物催化及传感检测应用体系。本项目研究思路、方法和成果可为仿生材料的绿色合成、多尺度调控以及实际应用提供实验及理论参考。

本项目以廉价易得的多肽或氨基酸为原料，基于酶催化反应网络的构建，控制多肽分子的动态自组装，合成智能型肽基仿生材料，并建立物理模型，实现相关材料在生物检测、催化领域的应用。具体研究中：1）通过在多肽分子中引入酶切位点，并调控多肽与核酸分子之间的组装，获得了具有酶响应特性的仿病毒纳米颗粒，并利用分子动力学模拟，深入剖析酶催化反应对多肽自组装结构的影响机制，相关材料可用于siRNA、质粒DNA等核酸药物的靶向递送与智能释放。2）利用酪氨酸酶催化酪氨酸及其衍生物的氧化聚合以及界面组装，获得了具有不同色彩的仿生涂层，可用于多彩染发；进一步通过考察扩散-反应的竞争与协同作用，调控多肽分子组装形成具有复杂介尺度结构的手性纳米螺旋阵列，相关材料在多相催化、手性检测领域具有很好的应用前景。3）通过调控多肽以及氨基酸的多级组装，获得了具有多级孔道结构的纳米/微米颗粒，相关材料能够诱导金纳米颗粒的原位生长，在生物催化以及重要生物小分子的传感检测方面具有很好的应用特性。.本项目研究思路、方法和成果能够为动态自组装体系以及功能材料的设计、调控与应用提供参考。研究成果发表在Angew Chem、ACS Nano、Nano Letters、Chem Mater、Small等 10 余种学术期刊，累计发表重要刊物论文 37 篇，全部为SCI收录，其中JCR一区论文15篇，6篇被遴选为封面文章。申请中国发明专利4项。研究成果受到了《人民日报》、《科技日报》、《美国化学会》Weekly Presspac专栏等多家知名媒体的报道。研究团队2018年获“教育部高等学校科学研究优秀成果奖二等奖” 1项，并入选天津市高层次创新创业团队；项目负责人获“第14届天津青年科技奖”，并入选“天津市创新人才推进计划中青年科技创新领军人才”。