NAT MATER丨自组装富组氨酸多肽的无辅因子氧化酶模拟纳米材料
作者：郑婷婷
摘要：
天然氧化酶主要依靠辅因子和排列良好的氨基酸残基来催化电子转移反应，但外部诱导的蛋白质解折叠会造成其活性无法恢复。然而，在没有辅因子的情况下，活性位点上的残基是否可以催化类似的反应现仍未知。中国科学院国家纳米科学中心王会课题组与丁宝全课题组、北京化工大学王振刚课题组在生物分子自组装催化研究领域取得新进展。在该研究中，作者描述了一系列自组装的，与二肽同样短的富含组氨酸的肽，且具有类似于血红素依赖性过氧化物酶的催化功能。肽链的组氨酸残基形成的周期性阵列能够通过形成反应性三元复合中间体有效地催化H2O2还原反应。该超分子催化剂表现出最最高活性的可以在十个加热/冷却或酸化/中和处理的循环中在无活性和活性状态之间切换而没有活性损失，这表明活性残基的可逆组装/分解。这些发现可能有助于先进的仿生催化材料的设计，并为原始的无辅因子的酶提供模型。
图1：受天然含血红素酶启发的无血红素自组装寡组氨酸催化剂的设计。a，辣根过氧化物酶（左）和抹香鲸肌红蛋白（右）的结构显示了血红素辅因子和活性残基中分布的催化残基。b，显示通过电荷相互作用，氢键和π-π堆积将设计的肽自组装为β-sheet和平面晶体纳米材料。c，周期性排列的肽链和侧链基团催化H2O2的工作模型还原和歧化反应。插图显示了催化剂与底物结合形成反应性中间体的示意图。该肽富含组氨酸残基，可在催化剂表面提供高密度的活性位。不涉及其他残基，因此可以阐明催化机理。NH3+和COO-终端将有利于链的通过静电相互作用的连接。
图2：肽组装的催化剂的结构表征。a，肽长度对CD强度和最大吸收波长（1 mM肽）的影响。从H1到H15，观察到归一化CD强度呈线性增加。从H15到H20，观察到CD强度降低。与这些观察结果一致，从H1到H15观察到吸光度红移和FWHM增加，从H15到H20观察到蓝移和FWHM降低。b，在指定的肽长度下的CβC值和相应的CD强度。CβC值随肽长度的增加而降低，H15在其CβC处表现出最高的MRE。a和b中的数据表示为平均值±sd，误差线代表sd，N = 3。由H15肽组装而成的纳米结构的c，d，SEM图像和光学显微镜图像。
图3：肽纳米结构的晶格和肽链排列模型。a，b，基于H15的纳米结构（1 mM肽）的选区电子衍射SAED模式和高分辨率透射电子显微镜HRTEM图像。c，是H15晶体正交晶胞中分子堆积的理论模型。每个单元包含两个通过静电相互作用连接的H15分子。d，沿[001]方向（左）在（010）小平面上相邻的β-sheet的堆积，沿[010]方向（右）在（001）小平面上的相邻β-strand的堆积。指出了β-sheet之间或β-strand之间的理论（t）和实验（e）间隔。在模拟的基础上，估计了SAED模式和HRTEM图像上标记的刻面。N，O，C和H原子分别以蓝色，红色，深灰色和浅灰色表示。这些肽通过沿着β-sheet的链间氢键，NH3+和COO-之间的静电相互作用有效地形成了大结构。沿β-strand末端和垂直于β-sheet的侧链的π-π堆积。形成主链和侧链基团的周期性排列。
图4：肽组装的催化剂的功能表征。a，在指定的肽长度下，肽浓度对TMB被H2O2氧化时Vi (每mM肽)的影响。[H2O2]=20 mM，[TMB]=0.3 mM。b，肽长度对1 mM肽的Vi (每mM组氨酸残基)的影响。观察到H2，H12和H15是关键长度的肽。[H2O2]=20 mM，[TMB]=0.3 mM。c，TMB浓度的曲线下的饱和H2O2浓度。插图显示了H15催化H2O2氧化TMB的Lineweaver–Burk plots，表明它遵循了酶反应和三元复杂机理的Michaelis-Menten模型。假设H2O2与TMB和组氨酸残基在催化剂表面上形成络合物。[H15]=700μM。d，EPR谱：H15/H2O2/TMB/BMPO/DMSO (i), H15/H2O2/TMB/SOD/BMPO/DMSO(ii), H15/H2O2/TMB/TBA/BMPO/DMSO(iii), H15/H2O2/BMPO/DMSO(iv), H15/TMB/BMPO/DMSO(v) 和H2O2/TMB/BMPO/DMSO(vi)。在没有H15的情况下，对于H2O2，TMB和DMSO的混合物，未观察到EPR信号。[H15]=700μM，[H2O2]=1 mM，[TMB]=0.3 mM，[SOD]=100μM，[TBA]=100 mM。
图5：催化过程的理论模型。a，三元复杂中间体的密度泛函理论模型。该模型建立在小平面（010）上，基于TMB在催化剂上的分子对接，并通过密度泛函理论进行了优化。b，基于在EPR光谱中观察到的源自OOH•的信号（图4d）和OOH•在催化中的重要作用而提出的转化过程：（i）静止态（010）面，（ii）氢从H2O2转移到咪唑/超氧自由基的产生，氢从咪唑-H和TMB转移至超氧自由基，以及（iii）H2O的形成和释放以及比色TMB •与电荷转移络合物平衡（λABS=652 nm）。N，O，C和H原子分别显示为蓝色，红色，深灰色和浅灰色。通过肽和残基的有序组装产生大量重复排列的活性位点。
图6：外部触发的H15肽和HRP的失活和激活。循环加热/冷却处理（a）以及循环酸化/中和处理（b）对TMB被H2O2催化氧化的影响。a和b中的数据表示为平均值±s.d., N = 3。
总结展望：
本文描述了设计无辅因子氧化酶模拟催化剂的策略和催化电子转移反应的新机理。这些不含辅因子的超分子催化剂为原始酶提供可能的假想模型，其环境诱导的失活和激活可以解释这些超分子肽组装体在生命起源前的复杂环境下如何生存。
Liu, Q., Wan, K., Shang, Y. et al. Cofactor-free oxidase-mimetic nanomaterials from self-assembled histidine-rich peptides. Nat. Mater. 20, 395–402 (2021).
