组合分子印迹与自组装构筑高效仿酶体系

Based on the new idea of "imitating enzymes by the cooperation of recognition and catalysis".We plan to accurately imitate the important antioxidative selenoenzyme-glutathione peroxidase and carboxypeptidase A by using new molecular imprinting technique combinated with supramolecular self-assembly and other strategies. In order to construct a series of supramolecular biomimetic enzyme models, we will develop a series of new mehtods and strategies including the self-assembly of amphiphilic molecules, the complex technology between functional recognition units and templates, and the molecular imprinting of the transition state to construct enzyme-like active sites, and try to obtain multilayered and multidimensional supramolecular mimetic enzyme systems with high catalyitc efficiency and high antioxidative activity by using molecular imprinting techniques. For doing so, we will set up a series of new molecular imprinting mehtods and strategies, and study on the rules of the weak bound recognation of substrates and transition states through a variety of advanced precision instruments, the enzyme dynamics, and also study on the scientific questions regarding to the relationship between the recognition and catalysis, and make efforts to elucidate the mechanism of enzyme action. Bio-sprit design of catalysts by molecular imprinting will provide us a strong platform to elucidate the concept of the transition state stabilization in biocatalysis, the cooperation of recognition and catalysis, and genneral rules for the constuction of artificial enzymes. These studies will open out a new insight into the nature of enzymetic catalysis and recognition.

依据"识别与催化协同仿酶"的研究新思路，利用分子印迹技术，紧密结合超分子组装等多种手段，精确模拟重要抗氧化硒酶和羧肽酶。开展识别与催化一体化的双亲性分子自组装，以底物和过渡态为模板分子，利用识别功能分子与模板分子复合技术，将催化部位合理装配在印迹产生的过渡态或底物识别位点上，精确模拟酶活性中心，构筑多层次、多维的具有高催化效率、高抗氧化生物活性的系列仿酶体系。建立和发展分子印迹与自组装相结合仿酶的新技术和新方法。运用各种现代技术和手段研究仿酶体系中以弱相互作用力驱动的过渡态或底物的识别规律。阐明识别与催化协同性的内在联系、识别与催化过程以及活性中心结构与催化功能关系等基础科学问题。探讨"过渡态理论"以及"识别与催化协同性"，诠释生物酶催化本质，为酶的催化学说提供新的实验依据。通过对分子印迹方法的优化实现对仿酶体系的结构调控，获得结构与功能可调控的仿酶体系。揭示构筑高效人工酶的一般规律。

本项目紧紧围绕解决“识别与催化协同”这一仿酶领域重要的科学问题，开展了系统的仿硒酶研究。建立和发展了分子自组装与仿酶相结合的新技术和新方法，获得了多酶功能协同的超分子仿酶体系，实现了多酶的功能协同。（1）在分子水平构筑了分子识别与催化协同的智能仿硒酶体系。在变构蛋白上精确构筑了硒酶识别和催化中心，利用蛋白质的构象变化成功实现了对底物识别特异性的控制，从而实现了对硒酶活性的可逆调控（参见Angew. Chem. Int. Ed. 2014, 53, 13536–13539）。（2）在构筑蛋白质超分子聚合物解决硒酶稳定性方面取得重要成果。利用金属螯合作用和多重非共价作用网的协同驱动，实现了对蛋白质组装方向的精确控制（参见JACS. 2013, 135, 10966； ACSnano, 2015, 9, 5461）。通过主客体相互作用，构建了活力在天然酶水平的蛋白质超分子聚合物纳米线，通过稳定蛋白质的构象成功解决了酶稳定性问题（参见Angew. Chem. Int. Ed. 2013, 52, 5590）。（3）在超分子水平上构筑多酶协同的蛋白质组装体方面取得重要成果。我们发展了电荷相互作用驱动的蛋白质组装新方法。利用环状蛋白质与量子点、树枝状分子以及聚合胶束的多重静电作用，成功实现了多酶的协同及多酶的功能集成（参见Angew. Chem. Int. Ed. 2014, 53, 9343；ACS Nano, 2017, 11, 938）。.通过5年的研究，本项目共发表SCI收录论文47篇，影响因子大于10的论文24篇（其中Chem. Rev.1篇；Chem Soc Review 2篇，Angew Chem.6篇； JACS. 1篇；ACSnano 5篇）。文章发表后受到国际同行的关注。Nature China以亮点形式介绍了我们精确控制蛋白质组装的研究工作。应邀在国内外学术会议上作邀请报告27次（其中大会Keynote主旨报告2次）。作为会议主席，在2014年8月成功举办了“蛋白质组装与功能化”国际会议。