DNA与多肽共组装过氧化物模拟酶的协同催化行为调控及在生物传感中的应用

Supramolecular enzyme mimics have attracted much attention in recent years. However, it remains as a challenge to mimic the geometric configurations and chemical structures of the active site of natural enzymes, which enables the catalytic efficiency of the enzyme mimics to rival that of the natural enzymes. On the basis of the molecular designability, inherent dynamics and chemical/structural complementarility of DNA and peptides, we will manage to design and tailor the catalytic behaviors of the self-assembled enzyme mimics. In this project, a modular design strategy will be proposed to assemble hemin as the cofactor with predesigned peptides and G-quadruplex DNA to mimic the activity of natural horseradish peroxidase. DNA provides an axial ligand and support for hemin, and the peptides provide distal activating groups for hemin via intermolecular self-assembly, so that three dimensional distribution and the catalytic functions of the essential groups will be achieved in the enzyme mimics system. Furthermore, with the help of molecular simulation and density functional theory, the secondary structures, the interaction modes and the chemical environment of the hemin will be explored. The synergistic effect of DNA and peptide on the catalytic activities, stimuli-responsive property and enantioselectivity of the hemin will be systematically studied. The interactions of the enzyme mimics with DNA (or peptide)-recognizing biomolecular signals will be investigated, which aimed for developing in vitro biosensing platform with high sensitivity and selectivity.

超分子自组装模拟酶的构建与功能研究在近些年来吸引了广泛关注。建立天然酶活性中心几何结构和化学微环境的调控策略，使模拟酶的催化性能匹敌、超越天然酶，仍是一项有挑战的研究课题。我们将立足于DNA和肽分子的结构互补性、序列可设计性和构象动态性，探索模拟酶催化行为的设计和调控方法。本项目拟采取模块化设计策略，以氯化血红素作为辅基与经过设计的短肽与G-四链体DNA和氯化血红素共组装，其中DNA为血红素提供轴向配体和支撑模板，短肽通过分子间自组装为血红素提供远端氢键网络和活化基团，实现天然过氧化物酶活性中心关键基团的取向、排布和催化功能。结合分子动力学/密度泛函理论模拟，探索DNA和短肽的分子结构、分子作用模式和血红素化学微环境的调控机制，系统研究DNA和短肽对血红素催化效率、环境响应性和手性选择性的协同作用规律，考察模拟酶体系与多种生命信号的识别作用，发展具有高灵敏度和高选择性的体外传感平台。

超分子自组装模拟酶的构建与功能研究在近些年来吸引了广泛关注。建立天然酶活性中心几何结构和化学微环境的调控策略，使模拟酶的催化性能匹敌、超越天然酶，仍是一项有挑战的研究课题。本项目主要包括两部分内容。其一，针对天然酶三维中心重构的难题，我们提出将经过设计的基于赖氨酸的多肽（或者壳聚糖）和G四链体DNA和血红素进行自组装，其中DNA为血红素提供轴向配体和支撑模板，多肽（或壳聚糖）为血红素提供远端氢键网络和活化基团，二者分布于血红素的上下两侧，实现天然过氧化物酶活性中心关键基团的取向、排布和催化功能；结果表明，DNA和多肽（或多糖）协同地促进H2O2吸附于血红素表面，有利于反应中间产物-化合物I的形成，显著提高血红素的催化活力；对于某些还原性底物（如邻苯三酚）的氧化速率超越了天然酶，而且能够对环境温度、pH或者核酸链（能够打开含有G-四链体序列的发夹）进行多个循环的响应性变化；可以实现对特定氨基酸残基的替换（如将高pKa的α-赖氨酸的NH3+替换为低pKa的ε-赖氨酸的NH2）而不改变组装体微观物理性质，实现对关键性残基作用机制的研究。其二，针对天然氧化酶辅因子脱落导致酶不可逆失活的问题，以依赖血红素的过氧化物酶为模拟对象，设计、组装富聚组氨酸多肽形成具有单晶结构的纳米材料；首次在不含有血红素等辅因子的情况下，实现过氧化物酶的催化功能；机理研究发现，临近的组氨酸能够同时吸附H2O2和电子给体底物形成三元复合物，进而发生质子转移、电子转移反应，实现H2O2对电子给体的氧化；稳定性研究表明，将催化剂进行300个循环的加热/冷却或者酸碱处理，活力没有任何损失，相对于血红素依赖的模拟酶或者天然酶而言，表现出优异的耐受性；进一步的，将成纤多肽与组氨酸多肽偶连，能够提高其组装效率，暴露组氨酸残基于催化剂表面，从而提高底物转换频率一个数量级以上。该项目成果为具有优异性能的超分子催化剂的设计、制备以及具有复杂结构的仿酶活性中心重构提供了重要的研究基础。