酶-金属-核苷酸杂化自组装规律及对酶催化性能的增效机制研究

Nanostructured enzymes synthesized by in situ self-assembly are considered as a new generation of nanostructured enzyme catalysts, because metal-organic hybrid has been shown to significantly improve the catalytic activity and the stability of immobilized enzymes. However, research on the mechanisms of the self-assembly of hybrids and how the hybrids improve the bioactivity of enzyme are still lagging behind. In this project, the mechanism and key factors of the in situ self-assembly of enzyme, metal ions and nucleotides using Chloroperoxidase (CPO) and Methionine adenosyltransferase (MAT) as the guest protein model are studied. The effect of metal-orgnic hybrid self-assembly on the catalytic activity, stability and the local environment of the catalytic site as well as the thermodynamic properties upon enzyme-substrate binding of hybrid nanostructured CPO and MAT will be evaluated. Furthermore, the catalytic reaction condition of hybrid enzymes will be optimized to be suitable for industrial application. Our results will enrich the fundamental research of metal-organic hybrid nanostructured enzyme catalysts and provide theoretical basis and technical support for further development of nanostructured enzyme catalysts with high efficiency and low cost.

金属-有机杂化纳米酶是一类新型原位自组装纳米催化体系，可以有效提高酶催化活性和稳定性，但杂化自组装规律及强化酶催化性能的机理尚缺乏清楚的认知。本项目创新性地提出采用核苷酸分子为有机结构单元，选择氯过氧化物酶和甲硫氨酸腺苷转移酶为客体酶蛋白模型，研究金属离子、核苷酸与典型金属活性中心酶或金属激活酶的三元杂化自组装及调控策略，通过剖析杂化自组装对酶催化活性、稳定性、活性中心微环境以及酶-底物结合热力学等方面的影响，揭示酶-金属-核苷酸杂化自组装规律及其调节酶催化活性和稳定性的结构基础等关键科学问题。本项目提出了一种全新的杂化纳米酶研究开发思路，基于金属离子的变构效应、核苷酸分子的稳态化效应、金属-有机杂化自组装的限域效应及独特形貌结构对酶催化功能进行强化，以期突破制约固定化酶工业化应用的瓶颈，为新型纳米酶催化体系的建立提供必要的理论和技术支撑。

金属-有机杂化纳米酶是一类新型原位自组装纳米催化体系，可以有效提高酶催化活性和稳定性，但杂化自组装规律及强化酶催化性能的机理尚缺乏清楚的认知。本项目创新性地提出采用核苷酸等有机分子为有机结构单元，选择氯过氧化物酶、甲硫氨酸腺苷转移酶、乙醇酸氧化酶、葡萄糖氧化酶、辣根过氧化物酶、乙醇脱氢酶为客体酶蛋白模型，通过对导向基元金属离子的理性筛选，较系统探究了“酶蛋白-金属离子-有机配体分子”三元杂化自组装规律及调控策略，较深入地研究了金属离子介导的有机无机杂化纳米结构对酶催化活性及稳定性影响，深入分析了杂化结构调节酶催化性能的结构和热力学基础，综合分析了金属-核苷酸等有机分子杂化纳米酶性能，并进行催化条件优化。基于酶蛋白分子和核苷酸等有机分子与金属离子的自组装效应，本项目的实施创新性的实现了一种简便、温和、高效的杂化纳米固定化酶的合成策略。借助金属离子的变构效应、核苷酸等有机分子的稳态效应、杂化自组装的限域效应以及纳米结构的独特形貌特征，通过金属离子与核苷酸等有机配体的巧妙组合，我们实现了氧化酶、金属激活酶等耐酸、耐高温、长循环、高稳定固定化酶的制备，为今后金属有机杂化纳米酶的工业化应用奠定基础。此外，项目组还将研究发现金属/核苷酸杂化纳米酶具有卓越的仿生漆酶、仿生过氧化氢酶和仿生NAD(P)H氧化酶活性，以及优良的抗菌性能。项目执行期间，项目组共发表学术论文27篇，申请发明专利2项，授权发明专利1项，参加国际学术会议并作口头报告2次，参加国内学术会议并作口头报告2次。受益于本项目的资助，共培养博士研究生3名，硕士研究生7名。