大自然精確地控制著每個(gè)細(xì)胞中數(shù)千種化學(xué)反應(yīng)。其中許多形成復(fù)雜的反應(yīng)鏈，類似于多米諾骨牌的下降線：當(dāng)酶觸發(fā)鏈的第一反應(yīng)時(shí)，其他反應(yīng)按順序觸發(fā)。這種反應(yīng)級(jí)聯(lián)難以在生命系統(tǒng)之外重建。即使當(dāng)使用與自然界中產(chǎn)生的催化劑相同的催化劑時(shí)，當(dāng)在試管中進(jìn)行級(jí)聯(lián)時(shí)，通常也不可能實(shí)現(xiàn)天然存在的反應(yīng)速率。寫于Angewandte Chemie，Megarity 等。1報(bào)告了這個(gè)問題的解決方案，模擬了一種促進(jìn)效率的自然發(fā)生的策略：合作催化劑的共定位。

使用酶催化反應(yīng)提供了使用常規(guī)催化劑的替代方案，并且可以極大地提高化學(xué)過程的可持續(xù)性，安全性和成本2。當(dāng)在單個(gè)反應(yīng)容器中順序進(jìn)行多個(gè)化學(xué)反應(yīng)時(shí)，優(yōu)點(diǎn)被放大，類似于在細(xì)胞中發(fā)生反應(yīng)級(jí)聯(lián)的方式。這些優(yōu)勢促使科學(xué)家設(shè)計(jì)出改進(jìn)的酶促反應(yīng)平臺(tái)，盡管難以在細(xì)胞外重構(gòu)多酶級(jí)聯(lián)過程3。

生物反應(yīng)通常需要將電子穿梭到催化劑上，使用幾種共同定位于細(xì)胞中的蛋白質(zhì)和小分子載體。一些策略可以促進(jìn)細(xì)胞中的這種電子穿梭，包括在穿梭路徑4中的伙伴之間的高親和力相互作用的工程化。這種相互作用可以通過蛋白質(zhì) - 蛋白質(zhì)界面5，通過酶活性位點(diǎn)6中的小分子的結(jié)合以及通過區(qū)分單個(gè)細(xì)胞器7內(nèi)的反應(yīng)物來實(shí)現(xiàn)。這三種方法的組合用于細(xì)胞中以形成納米級(jí)反應(yīng)器，與溶液8中自由發(fā)生的類似過程相比，這加速了反應(yīng)。

Megarity 等。設(shè)想通過將酶在合成納米反應(yīng)器中捕獲在大量電子表面上來模擬這種自然過程，從而促進(jìn)為生物催化反應(yīng)提供動(dòng)力所需的電子傳輸。從同一組作為當(dāng)前作者的研究人員此前曾報(bào)道9調(diào)用酶鐵氧還蛋白NADP +還原酶(FNR)與由氧化銦錫(ITO)制成的電極的孔緊密結(jié)合。在自然系統(tǒng)中，F(xiàn)NR從稱為鐵氧還蛋白的蛋白質(zhì)配偶體接受兩個(gè)電子。電極和FNR之間的相互作用模擬了ferrodoxin-FNR蛋白質(zhì) - 蛋白質(zhì)相互作用的靜電。更具體地，電極的帶負(fù)電荷的表面模擬帶負(fù)電荷的鐵氧還蛋白斑，其與FNR的帶正電荷的表面形成界面(圖1a)。

FNR使用從鐵氧還蛋白接收的電子來化學(xué)還原稱為NADP +的小分子- 一種充當(dāng)電子穿梭器的輔助因子。然后，還原形式的輔因子NADPH可以將電子傳遞給級(jí)聯(lián)中的下一個(gè)酶(圖1a)。ITO電極提供高定位的電子濃度，Megarity 等人。預(yù)計(jì)它們可以通過用納米多孔ITO表面代替鐵氧還蛋白來增強(qiáng)天然FNR系統(tǒng)，該表面將FNR與在級(jí)聯(lián)中執(zhí)行最后步驟的伴侶酶共同捕獲(圖1b)。

為了證明這一概念，作者首先確定FNR和第二種酶(醇脫氫酶; ADH)可以共同包裹在ITO電極的無序孔中。當(dāng)FNR和ADH都被吸附到電極上并置于含有NADP +和ADH底物的溶液中時(shí)，作者觀察到反應(yīng)產(chǎn)物的形成。他們還觀察到電流，其大小取決于存在的FNR的量，表明發(fā)生了FNR介導(dǎo)的電子穿梭。

Megarity 等。發(fā)現(xiàn)裝有酶的電極可以通過用水徹底沖洗然后將其插入反應(yīng)基質(zhì)的新鮮溶液中來重復(fù)使用。這不僅證明了它們的設(shè)置的穩(wěn)健性，而且還表明FNR和ADH都在電極孔內(nèi)緊密結(jié)合。相比之下，作者發(fā)現(xiàn)NADP +大部分不會(huì)保留在孔隙中，必須加入到反應(yīng)溶液中以恢復(fù)高反應(yīng)速率。

作者的系統(tǒng)簡化了電子傳輸并加速了由電子轉(zhuǎn)移到FNR引發(fā)的級(jí)聯(lián)的輔助因子再生速率。研究人員估計(jì)，這種納米細(xì)化策略導(dǎo)致局部濃度為1.6毫摩爾 - 比溶液濃度高約1,000倍 - 對(duì)于孔中的每個(gè)催化成分，這減少了輔助因子在FNR和ADH之間行進(jìn)所需的距離與距離相比如果反應(yīng)純粹在溶液中進(jìn)行，則需要。結(jié)果，產(chǎn)品形成的總體速率增加。Megarity及其同事計(jì)算出反應(yīng)中的每個(gè)“最小催化單位” - 反應(yīng)所需的最少量的酶分子和輔因子; 在這種情況下，一個(gè)FNR，

令人鼓舞的是，作者表明，在其系統(tǒng)中可以使用其他三種NADPH依賴性酶代替ADH來催化各種還原反應(yīng)。這表明納米細(xì)化方法可以對(duì)NADPH依賴性生物催化轉(zhuǎn)化具有廣泛的應(yīng)用 - 盡管觀察到的每種酶的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)是不同的。需要進(jìn)一步的工作來定義NADPH依賴性酶的全部范圍和由非NADPH輔助因子驅(qū)動(dòng)的酶類，這些酶與該策略相容。

例如，在作者的系統(tǒng)中測試除FNR之外的還原酶將揭示多孔電極是否通?？梢宰鳛殡娮哟┧笸緩街械鞍踪|(zhì)的電子來源，以及該策略是否可用于再循環(huán)除NADPH之外的輔助因子。許多類酶依賴于電子傳遞，并且允許它們在生物系統(tǒng)外的反應(yīng)中有效使用的一般策略可以顯著改善這種反應(yīng)的可擴(kuò)展性。它還可以促進(jìn)電子供應(yīng)伙伴未知的酶的研究。

Megarity及其同事的工作探索了兩種酶的納米細(xì)胞。人們還可以想象將額外的酶包裝到電極孔中以提高更復(fù)雜的多酶級(jí)聯(lián)的效率。因此，合成區(qū)室化系統(tǒng)的使用可以用于酶法生產(chǎn)化學(xué)工業(yè)中大規(guī)模生產(chǎn)的簡單“商品”化學(xué)品和結(jié)構(gòu)上復(fù)雜的分子，例如藥劑。