Small Science: 基于“常温冷冻”原理的蚕丝-蛋白酶活性的保护技术与生物反应器

酶催化在生命过程中发挥着关键作用,同时,它也被广泛应用于生命科学、环境监测、生物燃料生产、医药研究等研究领域。然而,游离态的酶在水环境中非常脆弱。天然蚕茧是由蚕吐丝结成,用以保护内部的蚕蛹免受捕食者的攻击和外界环境的威胁。由于其独特的介观网络多级结构,蚕丝材料具有良好的生物相容性和可控的生物降解性。丝素蛋白质(silk fibroin,SF)的折叠过程涉及β-微晶的形成。该研究首次发现,蚕丝折叠过程中β-微晶的形成过程中与酶的相互作用,能部分锁定酶的空间构型,以达到防止生物酶变性,并保持与提高酶催化活性。该效应被称为蚕丝蛋白对生物质的“常温冷冻”效应。

近日刘向阳教授团队(厦门大学和新加坡国立大学)在最新发表于Small Science的研究论文中设计了一种蚕丝-酶纳米球(silk enzymatic nanospheres,SENs),通过将酶“冷冻”于介观蚕丝纳米纤维网络中可实现稳定的级联酶催化反应。如图1a所示,这种SENs设计具有酶回收率高和多酶比例可调的优点。从介观结构到宏观性质分析,如图1b所示,介观重构的蚕丝β-微晶/原纤网络提高了酶的包封率,显著增强了其热稳定性(若需在60℃下保留>50%的活性,可储存约28小时;17.5倍于游离酶系统)和贮存稳定性(若需在25℃下保留>67.5%的活性,可储存约两周;7倍于游离酶系统)。值得注意的是,这种SENs设计能够为酶催化级联反应提供有利的微环境,促进有毒中间体产物的消除(在1.9 h时H2O2消除效率约为67.3%;3.6倍于游离酶系统;如图1c),并增强其在高粘性环境下的活性(在20%PEG溶液中培育1.9 h保留了>60%的活性;3倍于游离酶系统)。此外,通过将乙醇氧化酶(alcohol oxidase,AOx)和过氧化氢酶(catalase,Cat)引入至蚕丝介观结构中,获得的SENs可作为针对酒精中毒的特效生物纳米解毒剂,对小鼠酒精中毒有显著疗效(在4.0h内酒精分解率>80%,解毒效率为纯蚕丝纳米球的>5.0倍;图1d),这表明了其在生物医学领域具有广阔的应用前景。

图1. 蚕丝-酶纳米球(SENs)设计提高了酶的活性和催化效率。(a)SENs的制备过程的示意图。在蚕丝介观杂化材料结构中,酶是作为纳米种子将其引入蚕丝材料的纳米纤维网络中。(b)分别在60°C和25°C水溶液中游离酶和SENs的相对稳定性对比。(c)分别在游离酶和SENs催化下有毒中间产物H2O2的消除效率对比。(d)分别喂食含磷酸缓冲盐溶液(PBS)、纯蚕丝纳米球(SNPs)或SENs的酒精饮食后的小鼠体内血液酒精浓度对比。

通过将功能性的酶“冷冻”在蚕丝介观结构中,获得的功能材料表现出更高的酶稳定性和催化效率。这种介观功能化的策略不仅可以应用于蚕丝基纳米材料的设计和制备中,也可以为许多生物医学应用提供了一个新的平台,为高性能功能材料的重新设计和重构提供了新的途径。该工作主要由新加坡国立大学博士生陈政维与厦门大学博士生胡帆共同完成。该论文在线发表在Small Science上(DOI:10.1002/smsc.202000049)