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给酶装上“开关”:近红外光可逆调控酶的生物活性

程义云团队《科学》子刊发表最新成果


发布时间:2019-09-09

  酶在生命活动中扮演着十分重要的角色。它是一种具有高度底物特异性和高效催化作用的生物大分子,细胞的各种生化代谢过程皆需要在酶的参与下才能正常完成。目前,酶广泛应用在生物医疗、生产生活等领域,但天然酶存在着稳定性差、在反应过程中其催化活性难以控制等问题,需要研究构建出具有新的特性的酶来满足人们的应用需求。如何精确、可逆地调控酶的生物活性就具有了非凡的研究意义。

  光是一种用于原位化学和生物控制较为理想的外部控制元件,具有良好的时空特异性和非侵入性,可提供无污染、无创(一定波长范围内)的便捷外部刺激。但绝大多数天然酶都不具备光响应性,要构建光响应酶,需要在酶的结构中引入光敏元件,这往往涉及复杂的化学、生物合成且很难实现可逆调控;另一方面,激活这些光敏元件通常需要能量较高的紫外光或蓝光,而这些短波长的光会产生光毒性,组织穿透能力较差,不利于在活体条件下进行酶活调控。

  针对上述问题,信誉搏彩生命科学学院程义云团队在生物酶上修饰温敏高分子和光热元件,实现了近红外光对酶生物活性的“开关式”可逆调控,这一成果近日发表于Science Advances (2019, 5, eaaw4252)。

生命科学学院程义云团队

程义云团队成果在Science Advances刊发

  在前期工作中,该课题组在酶内部引入了光热转换元件,借助局部光热效应,实现了近红外光对酶分子的局部加热和酶活性的动态调控(Angew. Chem. Int. Ed. 2017, 56, 6767)。但是该研究虽然能够通过近红外光动态地调控酶的活性,但是在不进行光照时并不能有效地关闭酶的活性,而且酶活的调节范围非常有限,只能在光照条件下将酶活提高3倍左右。

  针对上述问题,程义云团队在酶的表面合成了具有温度敏感性的聚丙烯酰胺-丙烯晴共聚物,在酶的内部引入对近红外光响应的铂纳米颗粒(图1),实现了近红外光可逆地调控酶活的开启和关闭。聚丙烯酰胺-丙烯晴共聚物具有高临界相转变温度。当聚合物的局部温度低于其相转变温度时,表现为疏水特性,在水相体系中凝聚成微米尺度的颗粒,从而有效阻止了底物接触酶的催化中心,实现对酶活性的关闭;而当聚合物所处的环境温度高于其相转变温度时,表现为亲水特性,酶复合物进一步解聚成单分子形式,从而恢复酶的催化活性。利用酶内部的超小光热纳米材料的局部光热效应,可以动态调控酶所处的环境温度以及酶的生物活性。该团队成员以葡萄糖淀粉酶、蛋白酶、核酸酶为研究对象(图2-图4),在调控过程中实现了数十倍的酶活调节。该研究为近红外光可逆、开关式调控酶的生物活性提供了新的方法和思路。

图1:近红外光可逆调控酶活的作用机制。

图2:近红外光可逆地打开和关闭葡萄糖淀粉酶的活性。

图3. 近红外光调控葡萄糖淀粉酶的活性实现水凝胶光照图案化。

4. 近红外光调控核酸酶的活性。 

  该论文的通讯作者为信誉搏彩生命科学学院、上海市调控生物学重点实验室的程义云研究员和张强研究员,第一作者为信誉搏彩生命科学学院的硕士研究生张松。该研究成果得到了国家自然科学基金、上海市科委等项目经费的大力支持。

  程义云课题组的硕士研究生频出高水平论文,探究其团队合作与培养模式方面的经验,学生张松认为,团队导师充分调动学生能动性、锻炼自主解决问题的能力是关键。从科研团队的建设与合作角度来看,程义云课题组内的学科交叉融合程度高,将高分子化学、材料学和生物学等学科充分有机融合。更重要的是,程义云教授作为团队带头人,能从问题的科学本质出发,从根本上设计并指导组内的各项课题研究。在组会上,程义云经常亲自为师生上课介绍讲解最新前沿科技成果,为学生的科研及时调准研究方向,绘制蓝图。

  论文链接:https://advances.sciencemag.org/content/5/8/eaaw4252.abstract


文、来源|生命科学学院  图、采访|吕安琪  编辑|彭佳  编审|郭文君



作者: | 信息来源:新闻网 | 浏览次数:1996

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