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酶被捕獲并被破壞以供細胞外使用

文章作者:www.utbltn.icu發布時間:2019-12-25瀏覽次數:1465

大自然精確控制每個細胞中的數千種化學反應。其中許多形成復雜的反應鏈,類似于多米諾骨牌下降線:當酶觸發鏈的第一反應時,其他反應按順序觸發。這種類型的反應級聯很難在生命系統之外重建。

即使使用與天然產生的催化劑相同的催化劑,當在試管中級聯時通常也不可能實現自然發生的反應速率。寫于Angewandte Chemie,Megarity等。 1報告了該問題的解決方案,模擬了一種促進效率的自然發生的策略:共催化劑的共定位。

酶催化反應的使用提供了使用常規催化劑的替代方案,并且可以大大增加化學方法的可持續性,安全性和成本。當在單個反應容器中順序進行多個化學反應時,優點被放大,類似于在細胞中發生反應級聯的方式。這些優勢促使科學家設計出改進的酶促反應平臺,盡管難以在細胞外重構多酶級聯過程3。

生物反應通常需要電子穿梭到催化劑,使用在細胞中共定位的幾種蛋白質和小分子載體。一些策略可以促進細胞中的這種電子穿梭,包括穿梭路徑4中的伙伴之間的高親和力相互作用的工程化。這種相互作用可以通過蛋白質 - 蛋白質界面5,通過酶活性位點6中的小分子的結合來實現,和通過分離單個細胞器內的反應物7.將這三種方法的組合用于細胞中以形成納米級反應器,與在溶液8中自由發生的類似過程相比,該反應器加速反應。

Megarity等。設想通過在合成納米反應器中的大量電子表面上捕獲酶來模擬該自然過程,從而促進為生物催化反應提供動力所需的電子傳輸。與現有作者相同的研究人員之前已經報道過9種要求將鐵氧化還原蛋白NADP +還原酶(FNR)緊密結合到由氧化銦錫(ITO)制成的電極的孔中。在自然系統中,FNR從稱為鐵氧還蛋白的蛋白質配偶體接收兩個電子。電極和FNR之間的相互作用模擬了ferrodoxin-FNR蛋白質 - 蛋白質相互作用的靜電相互作用。更具體地,電極的帶負電荷的表面模擬帶負電荷的鐵氧還蛋白斑塊,其與FNR的帶正電荷的表面形成界面(圖1a)。

FNR使用從鐵氧還蛋白接收的電子來化學還原稱為NADP +的小分子,這是一種充當電子穿梭器的輔助因子。然后,還原形式的輔因子NADPH可以將電子傳遞給級聯中的下一個酶(圖1a)。 ITO電極提供高度局部化的電子濃度,Megarity等。預期它們通過用納米多孔ITO表面取代鐵氧還蛋白來增強天然FNR系統,所述納米多孔ITO表面捕獲FNR以及在級聯中執行最后步驟的伴侶酶(圖1b)。

為了證明這一概念,作者首先確定FNR和第二種酶(醇脫氫酶; ADH)可以共同包裹在ITO電極的無序孔中。當FNR和ADH都被吸附到電極上并置于含有NADP +和ADH底物的溶液中時,作者觀察到反應產物的形成。他們還觀察到電流,其大小取決于存在的FNR的量,表明已經發生了FNR介導的電子穿梭。

Megarity等。發現含有酶的電極可以通過用水徹底沖洗然后將其插入反應基質的新鮮溶液中來重復使用。這不僅證明了它們的設置的穩健性,而且還表明FNR和ADH都緊密地結合在電極孔內。相反,作者發現大多數NADP +不會留在孔隙中,必須加入到反應溶液中以恢復高反應速率。

作者的系統簡化了電子傳輸,并通過級聯電子到FNR加速了輔因子再生的速率。研究人員估計,對于井中的每種催化組分,這種納米精制策略導致局部濃度為1.6 mmol(比溶液濃度高約1,000倍),這減少了輔助因子在FNR和ADH之間傳播的需要。如果與距離相比純粹在溶液中進行反應,則需要該距離。結果,產品形成的總體速率增加。 Megarity及其同事計算了反應中的每個“最小催化單位” - 反應所需的最少量的酶分子和輔助因子;在這種情況下,FNR,

令人鼓舞的是,作者表明,其他三種NADPH依賴性酶可以用于它們的系統而不是ADH來催化各種還原反應。這表明納米精制方法可以在NADPH依賴性生物催化轉化中具有廣泛的應用 - 盡管觀察到的每種酶的反應動力學是不同的。需要進一步的工作來定義由與該策略相容的非NADPH輔因子驅動的全范圍的NADPH依賴性酶和酶。

例如,在作者系統中測試除FNR之外的還原酶將揭示多孔電極是否通常可用作電子穿梭途徑中蛋白質的電子源,以及該策略是否可用于再循環除NADPH之外的輔因子。許多類型的酶依賴于電子轉移,并且允許它們有效用于生物系統外的反應的一般策略可以顯著改善該反應的可擴展性。它還可以促進電子供應伙伴不知道的酶的研究。

Megarity及其同事的工作探索了這兩種酶的納米細胞。還可以想到將額外的酶包裝到電極孔中以提高更復雜的多酶級聯的效率。因此,合成區室化系統的使用可用于酶促地產生簡單的“商品”化學品和結構上復雜的分子,例如藥劑,其在化學工業中大規模生產。

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