新型多酶自组装系统的构建及其催化二氧化碳转化反应的基础研究

Synergetic catalysis of multi-enzymes is one of the key issues for improving the efficiency of many chemical reactions, such as the conversion of carbon dioxide to methanol for carbon capture and utilization. Virus-like particle (VLP) is a highly organized nanoparticle that self-assembles from viral structural proteins, providing well-arranged reaction sites for controllable combination of different enzyme molecules. Hence, it is preferred for the construction of synergetic catalysis of multi-enzymes. However, self-assembly of VLP is a complicated multilevel multi-interface reaction process with many unsolved mesoscale scientific issues, leading to inefficient self-assembly, difficult regulation and thus limited applications. This project is then aimed at fabricating novel multi-enzyme system from protein self-assembly, based on the research into the key mesoscale scientific issues in this process. It will be carried out using both molecular dynamics simulations and experimental approaches. First, the molecular mechanism of self-assembly will be explored using a constructed mesoscale dynamics model. Second, the stability conditions and regulation of self-assembly will be specified to realize controllable self-assembly of VLP. Finally, novel multi-enzyme system will be fabricated to realize the synergetic catalysis in carbon dioxide utilization. Therefore, this project will provide comprehensive illustrations of the self-assembly of VLP and its regulation mechanism, constructing a protocol for quantitative design, optimization and control of VLP self-assembly. The research project would then facilitate the development of novel multi-enzyme system for the conversion of carbon dioxide to methanol and related technologies.

多酶协同催化是包括二氧化碳资源化利用等许多化学反应实现高效化的关键。病毒样颗粒（virus-like particle，VLP）是病毒结构蛋白自组装形成的具有规则排布的天然纳米颗粒，可利用其精确调控和组合酶分子以构建多酶催化反应系统。但是，VLP自组装包含多级多层次的复杂界面反应过程，诸多介尺度科学问题尚未解决，造成自组装过程难调控、效率低，制约其应用。因此，本项目以多酶自组装系统构建为目标，利用计算机模拟和实验检测，建立介尺度动态过程模型，研究和揭示此过程的形成机制；综合考察VLP自组装过程的演化规律和稳定性条件，实现VLP的可控自组装；构建新型多酶自组装系统，用于协同催化二氧化碳转化反应。本项目的研究工作将阐释VLP自组装的介尺度动态过程及其调控机理，建立自组装过程定量设计、优化和调控的方法，实现二氧化碳催化转化的多酶自组装系统新体系开发。

多酶协同催化是包括二氧化碳资源化利用等许多化学反应实现高效化的关键。病毒样颗粒（virus-like particle，VLP）是病毒结构蛋白自组装形成的具有规则排布的天然纳米颗粒，可利用其精确调控和组合酶分子以构建多酶催化反应系统。但是，VLP自组装是由组装基元蛋白间复杂相互作用推动的多级多层次的复杂界面反应过程，涉及基元蛋白间正确组装和错误聚集之间的竞争与协调过程，诸多介尺度科学问题尚未解决，造成自组装过程难调控、效率低，制约其应用。因此，本项目将介尺度科学理论应用于VLP自组装过程，利用计算机模拟和实验检测，建立介尺度动态过程模型，研究和揭示此过程的形成机制，综合考察VLP自组装过程的演化规律和稳定性条件，建立通过静电相互作用调控二聚体等关键介尺度结构的形成，从而调控自组装过程的优化策略，促进其自组装调控和多酶系统构建。主要研究结果包括：（1）通过VLP自组装微观过程展示，确定二聚体为自组装过程中的关键介尺度结构，发现静电作用对的分布改造可以影响二聚体的形成，进而基于模拟计算给出的静电作用对分布和比例，建立VLP的结构优化方案和高效自组装策略；（2）以鼠多瘤病毒VLP、乙肝病毒VLP、流感病毒VLP等体系为代表，通过精氨酸和天冬氨酸等荷电氨基酸残基实现静电相互作用的引入，发现其可以促进自组装过程，而且利用改造体荷电性质的改变，可以通过溶液环境调控改造体的自组装结构，应用于可控自组装过程研究；（3）通过鼠多瘤病毒VLP构建多酶自组装系统，该系统能够提高底物传递，在较低底物浓度下实现二氧化碳的催化转化。研究成果促进蛋白质自组装体系介尺度行为的深入认识，将推动其在酶催化系统构建方面的应用，服务于重大研究计划的“建立和发展以介尺度科学为基础的过程工程学科新体系”的目标。研究成果以第一作者或通讯作者发表学术论文7篇，其中SCI收录4篇，EI收录3篇；以第一发明人获授权美国专利1项，中国发明专利1项。