Angew：聚合物纳米反应器在有机溶剂中的控制酶催化

通讯作者：S. Thayumanavan

通讯单位：马萨诸塞大学阿默斯特分校

基于酶的纳米反应器的策略已被用于支持分子的合成和受控的酶促反应，但仍限于水性条件。利用酶在有机溶剂中进行催化，同时对不同底物表现出选择性是一个很大的挑战。

马萨诸塞大学阿默斯特分校S. Thayumanavan教授课题组报告了一种两亲性无规共聚物(ARC)系统，该系统在有机溶剂中与酶自组装形成纳米反应器。这些封装的酶没有变性，保留了催化活性。相关工作以“Enzyme Catalysis in Non-native Environment with Unnatural Selectivity Using Polymeric Nanoreactors”为题发表在Angewandte Chemie International Edition上。

图1. 形成具有受控底物可及性的酶纳米反应器的示意图。

研究人员探索了将两亲性无规共聚物(ARC)工程化到纳米反应器中以在有机溶剂中进行酶催化的可能性，并在结构上操纵纳米反应器以引入非自然选择性。聚合物疏水区室中的可交联官能团可控制酶的可及性赋予了纳米反应器非自然的选择性。

该设计的纳米反应器(i)能够保护酶免受有机溶剂诱导的变性；(ii)提供最适合酶促反应的局部环境；(iii)基于支架，可以通过简单的一步过程进行调整，以实现对基材可及性的控制。

该方法展示了有机溶剂中三种截然不同的蛋白质，为下一代酶纳米反应器在非极性溶剂中进行生物催化提供了稳健且可推广的设计指南。除了将自然催化剂的高催化保真度作为有机合成的推动因素之外，这些设计指南还为按需释放和传感等应用开辟了新的可能性。

图2. 使用GFP作为模型蛋白对有机溶剂中酶包封的聚合物结构优化：(a)P1、P2、P3、P4和P5的聚合物结构；(b)GFP和GFP-ARC复合物在甲苯中的发射光谱表明ARC能够稳定有机溶剂中的GFP(激发波长 465 nm)；(c)ARC-GFP交联后的荧光强度变化表明P5-GFP不受交联密度的影响；(d)GFP-P5纳米颗粒在甲苯中的DLS曲线。

图3. ChT酶纳米反应器的交联密度变化可调节反应性：(a)具有不同渗透性的ChT纳米反应器的示意图；(b)TEM图像和(c)DLS剖面证实ChT-P3纳米颗粒的尺寸为~100nm；(d)具有不同交联密度的ChT酶纳米反应器的反应动力学表明较高的交联对底物的渗透性较低。

图4. (a)plE纳米反应器在不同尺寸的底物上具有不同反应性的示意图；(b)DLS剖面和TEM图像证实plE-P5纳米颗粒的尺寸为~130 nm；(c)具有相同官能团但大小不同的三种pE底物的结构；plE酶纳米反应器在三种不同底物上具有不同交联密度的反应动力学表明，较大尺寸的底物具有较低的渗透性，增加交联密度可以阻止反应：(d)无交联(e)50%交联(f)100%交联；(g)plE纳米反应器对具有不同交联密度的三种不同底物的催化效率的比较（每个数据点均归一化为PBS缓冲液中的游离plE催化效率）。

研究人员发现：i）酶纳米反应器的组装需要来自两亲聚合物的亲水性官能团，以稳定有机介质中的酶作为主体溶剂；ii) 底物的大小影响其扩散到纳米反应器内的酶活性位点，这反过来又有助于调节反应动力学；iii) 疏水部分交联密度的变化会改变纳米反应器的渗透性，从而改变反应速率；iv) 交联密度的控制使酶对一系列不同大小的底物具有非自然的选择性；v) 这种组装酶纳米反应器的方法适用于多种酶。

参考文献：

Jingjing Gao, Stephanie Le, Sankaran Thayumanavan, Enzyme Catalysis in Non-native Environment with Unnatural Selectivity Using Polymeric Nanoreactors, Angew. Chem. Int. Ed. 2021, https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202109477.

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