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Angew. Chem. :纳米孔传感技术用于解析多酶体系中的级联反应2022-04-26
酶催化的级联反应已经被用来合成具有复杂结构的高价值化合物,尤其是在生物合成领域。级联反应具有诸多优势,例如可以省去繁琐的中间产物分离和纯化,调节不利的反应平衡,和显著提高的反应产率和原子经济性等。级联反应的潜在机制是底物通道效应,即一个酶催化产生的产物不经过溶液扩散过程直接到达另一个酶的活性中心进行下一轮催化反应。但目前对多酶体系级联反应的研究手段较少,其主要原因在于多酶体系中的酶、底物、中间体和最终产物数量众多,常规手段难以同时监测和分析。

近日,中国科学院化学研究所的吴海臣研究员与中国科学院高能物理研究所的刘蕾副研究员合作,设计了一个人工的三酶体系(组织酶B,氨肽酶A和二肽基肽酶IV),并利用一段DNA-多肽复合物为底物,来研究该体系中的级联反应过程。该DNA-多肽复合物的肽段中含有以上三个酶的酶切位点,并且由于氨肽酶A和二肽基肽酶IV只在多肽氨基端暴露时才能发挥作用,因此这三个酶只能依次酶解底物。而DNA-多肽复合物及其酶解产物与葫芦脲[7]结合后穿过α-溶血素纳米孔时均能产生不同的特征电流信号,因此纳米孔传感技术可以同时区分底物,中间体和最终产物的电流信号(图1)。

图1 多酶级联反应体系的设计和纳米孔监测

当级联反应在溶液中进行时,可以观察到DNA-多肽复合物产生的特征信号随着时间的推移在不断地变化。前10分钟内,底物和第一个酶解产物的信号占绝大多数;当反应进行到30分钟时,第二个酶解产物的信号明显增加;当反应进行到50分钟时,第三个酶解产物也就是最终产物的信号已占据主导。从这些信号的变化可以判断级联反应的进程(图2)。

图2 溶液中的多酶级联反应

当级联反应在一个限域空间如脂质体中发生时,底物、中间体和最终产物的信号发生了明显的变化。两个中间产物即第一酶解产物和第二酶解产物的信号数量均显著减少,但终产物的信号明显增加(图3)。以上数据表明,在脂质体中,组织酶B和氨肽酶A之间,以及氨肽酶A和二肽基肽酶IV之间均发生了底物通道效应。

图3 脂质体中的多酶级联反应

该工作利用纳米孔传感技术清楚地解析了一个三酶体系中的级联反应过程,并发现了该反应在限域空间中的底物通道效应。该方法有望被用来设计和评价不同的多酶体系中的底物通道效应。

文信息

A Nanopore Sensing Assay Resolves Cascade Reactions in a Multienzyme System

Yingying Sheng, Dr. Ke Zhou, Dr. Lei Liu, Prof. Hai-Chen Wu

Angewandte Chemie International Edition

DOI: 10.1002/anie.202200866

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