中科院李峻柏团队 Angew. Chem. Int. Ed.: 纳米酶催化级联反应仿线粒体的氧化磷酸化

【引言】

         仿生分子组装是模仿自然过程和开发功能增强的架构的一种有前途的策略。并且这种组装策略在细胞和亚细胞系统中自我增殖、仿生化学转化、捕食行为和信息记忆方面的研究取得了巨大成功。众所周知，ATP是一种生物能源，主要是在叶绿体和线粒体中分别通过光合磷酸化和氧化磷酸化两个过程产生。其中，仿叶绿体的人工光合磷酸化系统李峻柏团队已有报道：

http://news.sciencenet.cn/sbhtmlnews/2019/2/343724.shtm。

        当然，仿线粒体中生物分子（如糖、酯和氨基酸）有氧呼吸的人造氧化磷酸化系统也有报道。但是，自然的氧化磷酸化是多种酶参与的级联反应，这些天然酶自身固有的缺陷导致在体外应用是一个巨大挑战，例如催化活性对环境的敏感性、回收和再循环困难、制备和纯化的高成本以及较低操作稳定性。近来，研究人员发现无机纳米材料（金属、金属氧化物和碳纳米颗粒）具有独特的酶催化活性，或许可以克服上述缺点。因此，开发适当的纳米酶级联反应以仿线粒体进行稳定的氧化磷酸化是非常重要的。

【成果简介】

        最近，中国科学院化学研究所李峻柏研究员（通讯作者）团队通过整合合成纳米酶和天然ATP合酶作为区室化结构提出了一种新的模拟线粒体氧化磷酸化的方法。利用空心二氧化硅微球的金纳米颗粒(AuNPs) 负载葡萄糖氧化酶和过氧化物酶。在AuNPs催化剂和氧气存在下，进行级联反应将葡萄糖转化为葡萄糖酸，同时产生过氧化氢（H₂O₂），生成的葡萄糖酸使得周围的pH降低并产生质子梯度。然后，质子扩散穿过蛋白脂质体膜，驱动空心二氧化硅微球的表面上重构的天然ATP合酶，将ADP和无机磷酸转化为ATP。通过AuNPs的重整可以清除产生的H₂O₂，以消除可能对ATP合酶的氧化。这种组装形成的人工酶具有类似线粒体内酶氧化磷酸化的高活性。该项工作提供了一个新的天然人工酶的制备方案，在ATP驱动的生物能源供应系统中具有很大的应用前景。研究成果以题为“Nanozyme-Catalyzed Cascade Reactions for Mitochondria-Mimicking Oxidative Phosphorylation”发布在国际著名期刊Angew. Chem. Int. Ed.上。

【图文解读】

组装的天然-人工混合结构的示意图以及相关的纳米酶催化的级联反应，以完成模拟线粒体氧化磷酸化的过程

【小结】

综上所述，制备的纳米酶可以级联催化反应，以在自然-人工混合结构中实现仿线粒体的氧化磷酸化。AuNPs被固定在空心二氧化硅微球中可以同时起到葡萄糖氧化酶和过氧化物酶的作用。在氧气存在的情况下，包封在微球中的AuNPs可以将葡萄糖氧化成葡糖酸，同时产生的H₂O₂也可以被AuNPs消耗掉。然后，在葡萄糖酸介导的矢量质子梯度驱动下，可以类似天然线粒体中的氧化磷酸化一样，通过ATP合成酶的旋转催化合成ATP。同时，氧化磷酸化的效率可以达到4920 nmol/mg/h，与天然系统中的酶的催化效率相当。总之，该策略开辟了化学-生物能量转换系统的新途径。

文献链接：Nanozyme-Catalyzed Cascade Reactions for Mitochondria-Mimicking Oxidative Phosphorylation（Angew. Chem. Int. Ed., 2019, DOI:10.1002/anie.201813771）

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