北京化工大学王振刚教授团队：多分子组分组装策略构筑模拟酶材料

近日，北京化工大学王振刚教授团队的Accounts of Materials Research述评文章“Self-Assembly of Multimolecular Components for Engineering Enzyme-Mimetic Materials”在线发表。文章总结了多分子组分组装构筑模拟酶的进展以及在材料合成/降解、生物传感、生物医用领域的应用价值，同时展望了该领域的未来发展前景。

关键词：多组分组装，模拟酶，活性位点，生物分子，催化

1 文章内容简介

天然酶的催化能力源于其活性位点的独特结构，其中功能基团协同作用或辅助辅因子（有机分子或者金属离子）特异性结合底物并催化转化。然而，由于模拟天然蛋白质折叠的复杂性，重构酶的活性位点具有很大的挑战。受自然界中多组分生物系统的启发，我们组提出了通过自组装互补分子构建模块来构建仿酶催化剂的策略。这些构建模块形成独立的折叠或聚集结构，允许控制反应基团的空间分布，从而创造出类酶的活性位点。

金属依赖性催化位点：为了构建金属依赖性酶活性位点，如血红素口袋或铜位点，我们提出创建一个超分子支架来稳定血红素或形成铜簇，然后引入第二个分子组分来增强底物吸附或金属反应性。研究详细介绍了利用DNA G-四链体、特定序列的多肽（或壳聚糖）和血红素自组装成仿过氧化物酶催化纳米颗粒的过程；DNA组分起着支架作用，其他组分协同辅助底物吸附和活化。对于模拟儿茶酚氧化酶的铜簇依赖性活性位点，介绍了将Cu²⁺与芴基修饰氨基酸和其他含有杂原子的分子组分（如核苷酸，DNA，咪唑等）自组装形成纳米聚集体的研究；通过芴基部分的定向堆积，可以促进形成仿酶的配位不饱和的多铜中心，杂原子组分作为添加剂增强Cu²⁺的反应活性。所构筑的金属依赖性催化剂具有能够匹敌天然酶的催化活力以及对高温、高离子强度和循环酸化/中和处理等苛刻条件具有很强的稳定性，能够在高温离子液体溶液中表现出对原生木质素的高催化降解效率。此外，它们还可以被设计成对特定手性或大小的底物具有可定制的选择性，并可以通过外部刺激在“开/关”状态之间切换。

无金属催化位点：为了实现无金属催化，提出将具有组装倾向的“驱动”组分连接到催化组分上，引导它们形成模拟过氧化物酶、水解酶、光脱羧酶或光氧化酶的活性位点。详细介绍了利用β-折叠、芳香堆积等方式来组装催化残基。例如，寡组氨酸肽可以自组装成有序的纳米结构，并通过形成反应性三元复合物中间体来催化H₂O₂还原反应，进一步地，将β-折叠纤维形成肽与寡组氨酸肽偶联，可以将纳米结构从纳米片转变为纳米纤维，从而提高催化效率。还介绍了利用芴基组氨酸自组装来模拟水解酶反应的研究，并讨论了组氨酸互变异构体在氧化和水解催化中的偏好。

催化合成：论文讨论了利用DNAzyme单元与DNA纳米结构模板的自组装，为制造具有明确形状的聚合物纳米图案提供了合适的微环境。以催化聚苯胺（PANI）的合成为例，DNA磷酸二酯骨架提供了合成对位聚苯胺所需的负电荷，而DNAzyme催化苯胺单体氧化成自由基，这些自由基扩散到带负电荷的DNA模板上，并进行偶联生成聚苯胺纳米线，并在此基础上通过在二维DNA模板上定位DNAzymes来实现聚苯胺或聚多巴胺的形状控制。

最后，作者讨论了与结构建模、提高催化性能和增加活性位点复杂性相关的关键挑战，并提出了实现高价值实际应用的未来前景。

2 作者团队简介

王振刚，北京化工大学材料科学与工程学院教授，已发表SCI收录论文80余篇，其中以通讯或第一作者署名在Nat. Mater., Nat. Commun., PNAS, Angew. Chem. Int. Ed.等期刊发表论文近60篇，获六项中国发明专利授权。主持承担或完成国家自然科学基金项目和北京市自然科学基金项目等，曾获得中国科学院卢嘉锡青年科学人才奖，入选中国科学院青年创新促进会会员和中国化学会高级会员。主要研究聚焦于生物分子的自组装，旨在调控功能基团的排列，探索催化材料的构效关系，并通过功能调控等手段精确调控仿生催化体系，以实现设想的“发展精准组装新策略、开发高性能仿生催化剂、提出催化新机制”目标。研究成果展现出在生物分析、医学和高附加值有机材料合成、生物质降解等领域的应用潜力。

徐世超，2020年本科毕业于杭州师范大学，随后分别于2020年和2022年在北京化工大学材料科学与工程学院攻读硕士和博士学位，目前已经以第一作者或共同第一作者在Nat. Commun.，Nano Lett.,  Acc. Mater. Res.等期刊发表SCI论文5篇。主要研究方向是超分子组装和仿酶催化剂的设计。

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Self-Assembly of Multimolecular Components for Engineering Enzyme-Mimetic Materials

Shichao Xu, Yuanxi Liu, Baoli Zhang, Shan Li, Xiangyu Ye, and Zhen-Gang Wang*

原文链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/accountsmr.4c00143

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