课题组工作丨Nano letters丨使用DNA支架控制水解酶催化核心的自组装
酶作为最成熟的催化剂，具有高效和高选择性的特点。受到天然酶构成的启发，酶模拟物的开发主要关注两个方面：在精确的空间组织中构建催化核心，以及调节酶-底物相互作用的微环境。然而，精确组织催化核心的官能团并微调它们的间距以实现更高效的催化性能仍然具有挑战性。在此背景下，DNA纳米技术提供了一个有前途的支架，可以用DNA分子构建各种具有纳米尺度空间分辨率的结构，用于模拟天然酶催化核心的氨基酸残基空间组织，从而揭示从头构建酶的可能性。
近日，韩达研究员团队报道了一项有关DNA支架模拟水解酶催化核心的研究。通过基于DNA引导的自组装，精确定位构成天然水解酶的氨基酸残基，实现了水解的可控和分级加速，并展示了DNA支架从头构建人工酶的潜力。该成果以“Controlled Self-assembly of the Catalytic Core of Hydrolases using DNA Scaffolds”为题发表于《Nano letters》。
在天然水解酶的结构分析中，组成催化核心的组氨酸（His）和精氨酸（Arg）可以相互协作，它们之间的距离对电子转移、能量转移和有机基团转移等反应的效率具有显著影响。该研究团队通过将His和Arg分别修饰在DNA双链的末端，形成催化核心，并成功地再现了水解酶的催化活性。研究结果显示，与修饰在DNA双链对侧的His/Arg，以及仅修饰在DNA双链单侧或无DNA双链支架的游离His和Arg相比，修饰在DNA双链同侧的His/Arg表现出更高的水解性能。这证明通过DNA双链支架将His和Arg临近排列可以有效地催化水解反应（图1）。
图 1. 水解酶的结构和功能概述。
为了研究基于DNA双链支架的His/Arg催化核心的距离依赖性催化活性，作者构建了具有不同His和Arg距离的双链DNA催化核心，分别为DX、DX_2、DX_8和His/Arg修饰在对侧的DX_oppo（0、0.68、2.72和8.5 nm）。作者研究了不同距离的DNA双链His/Arg催化核心的催化效率，发现His和Arg之间距离越近，催化速度越快，可以用于调节水解效率（图2）。他们认为催化效率的提高主要是由于DNA支架中的His和Arg非常接近，符合天然水解酶中His和Arg之间的距离，因此加速了该水解反应中的电子转移。这些结果支持DNA支架诱导的两个氨基酸残基的接近确实对天然水解酶的催化核心模拟的活性有影响，这有助于加速FDA的水解。
图 2. 单个DNA支架催化核心中His/Arg的距离对催化活性的影响。
在许多天然酶中，多个活性核心的存在可以加速催化反应。因此，作者假设，通过将多个His/Arg组件精确组织排布组装，它们可以实现协同催化。为了实现这一目标，研究团队利用3H×20T矩形DNA纳米结构将His/Arg催化核心以线性方向排列，距离分别为7、14和21 nm。然而，作者并没有发现这三种不同的矩形配置在催化活性方面有任何显着差异（图3）。作者分析，由于DNA矩形表面催化核心密度增加引起的空间位阻和静电排斥可能抵消了由较高数量的催化核心引起的协同效应，从而导致这三种配置的催化效率相似。
图 3. 3H × 20T DNA 矩形的设计表征及催化性能研究。
由于 DNA 矩形结构可修饰催化核心数量有限，为了扩大催化核心排列的数量，作者使用更大的DNA支架（DNA带状结构），并将His/Arg催化核心组装从一维扩展到二维。图4结果表明，His/Arg催化核心能够有效地锚定到DNA结构的捕获链，与游离催化核心相比，一维和二维方向排列的催化核心其kcat分别增加了1.3倍和4.2倍。这表明，通过组装催化核心可以提高酶的催化效率。
图 4. 多个催化核心的排列对催化活性的影响。
总结：该研究通过基于DNA支架的氨基酸组装，实现了精确控制氨基酸的空间位置来形成催化核心，从而实现水解分级加速和协同催化，提高了人工酶的催化效率。研究结果表明，DNA支架组装提供的精确氨基酸残基的空间分布和催化核心的排列使催化作用得到增强。尽管自组装DNA结构已经被证明具有模拟催化核心的巨大潜力，但是还需要更多的努力来探索开发氨基酸的三维排列，以进一步实现更复杂的酶模拟。总之，DNA引导的组装可作为一个有前途的平台，以可编程和分层的方式构建酶模拟。
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