基于多肽金属水凝胶/血红素超分子组装的新型人工金属酶构建与功能调控

Molecular design and construction of artificial metalloenzymes, especially those containing heme group, can mimic the high selectivity and high reactivity of natural enzymes, and expand the catalytic and application fields for metalloenzymes. Meanwhile, chemical synthesis of artificial metalloenzymes contains comparatively complicated steps, which lacks of biocompatibility, as well as functional studies close to biological systems. On the other hand, metallohydrogels, especially the hydrogels based on assembly of peptides, have advantages such as unique 3D-network structure, good biocompatibility and multiple metal active sites. Therefore, this proposal plans to introduce metallohydrogels into the design of artificial metalloenzymes, design and synthesize a series of peptides and their derivatives for use as gelators. In combination with chemical modifications of heme, it plans to co-assemble with metal ions such as Cu, Fe, Co, Ni and Mn etc, resulting in formation of supermolecular metallohydrogels, thereby constructing supramolecular artificial metalloenzymes with multiple metal active sites. Moreover, by using the chirality of peptide gelators, the coordination of different metal ions, hydrogen-bonding, electronic and hydrophobic interactions, this proposal plans to artificially control the structure, property and catalytic functions, such as multi-elections reduction of O2, and the reduction of nitric oxide and nitrite, etc, exploring the structure and function relationship of artificial metalloenzymes, which will provide scientific insights for design of more functional artificial metalloenzymes.

人工金属酶（特别是含有血红素蛋白酶）的分子设计与构建，可以模拟天然酶的高选择性和高活性，拓展金属酶的催化和应用领域。然而，化学合成人工金属酶步骤相对复杂，且缺乏生物相容性和对类似生物体系中的功能研究。另一方面，金属水凝胶，尤其是基于多肽分子组装的水凝胶，具有独特的三维网络结构、良好的生物相容性和多金属活性中心等优点。因此，本项目拟将多肽金属水凝胶引入到人工金属酶分子设计中，设计、合成系列多肽分子及其衍生物作为凝胶因子，结合血红素分子的化学修饰，通过金属离子（如铜、铁、钴、镍和锰等）共组装，形成超分子金属水凝胶，构建具有多金属中心的超分子人工金属酶。同时，利用多肽凝胶因子的手性、不同金属离子的配位、氢键、静电和疏水性等相互作用，人工调控其结构、性质及催化功能（如氧的多电子还原、一氧化氮和亚硝酸盐还原等）探索人工金属酶的结构与功能关系，为更多人工金属酶的分子设计提供科学借鉴。

人工金属酶的分子设计与构建，可以模拟天然酶的高选择性和高活性，拓展金属酶的催化和应用领域。然而，化学合成人工金属酶步骤相对复杂，且缺乏生物相容性和对类似生物体系中的功能研究。另一方面，金属水凝胶，尤其是基于多肽分子组装的水凝胶，具有独特的三维网络结构、良好的生物相容性和多金属活性中心等优点。本项目的主要研究内容包括：（1）设计、合成了系列多肽分子及其衍生物作为凝胶因子并研究其成胶行为；（2）通过一种或多种金属离子（如铜、铁、钴、镍和锰等）与凝胶因子共组装，形成超分子金属水凝胶；（3）对形成的超分子水凝胶及超分子金属水凝胶进行表征、研究其组装机理，并研究其多重刺激响应性及在不同领域的应用；（4）利用多肽金属水凝胶或者金属配位化合物形成特殊的微环境引入到人工金属酶分子设计中，构建超分子人工金属酶；同时，利用多肽凝胶因子的手性、不同金属离子的配位、氢键、静电和疏水性等相互作用，人工调控其结构、性质及催化功能；（5）利用各种测试方法对复合金属水凝胶进行表征，进一步探究其成胶机理及酶催化活性。到目前为止，已经发表SCI论文六篇，申请专利多项，已经授权专利3项。有一篇相关的研究成果（A Chiral Copper Complex Catalyzes O2-Reduction and Radical-Production）处于审稿期。该项目取得的研究成果将对水凝胶以及金属水凝胶在药物缓释、光学材料、细胞成像以及酶催化领域有广阔的应用前景。