中科院李峻柏團隊 Angew. Chem. Int. Ed.: 納米酶催化級聯反應仿線粒體的氧化磷酸化

【引言】

? ? ? ? ?仿生分子組裝是模仿自然過程和開發功能增強的架構的一種有前途的策略。并且這種組裝策略在細胞和亞細胞系統中自我增殖、仿生化學轉化、捕食行為和信息記憶方面的研究取得了巨大成功。眾所周知，ATP是一種生物能源，主要是在葉綠體和線粒體中分別通過光合磷酸化和氧化磷酸化兩個過程產生。其中，仿葉綠體的人工光合磷酸化系統李峻柏團隊已有報道：

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

? ? ? ? 當然，仿線粒體中生物分子（如糖、酯和氨基酸）有氧呼吸的人造氧化磷酸化系統也有報道。但是，自然的氧化磷酸化是多種酶參與的級聯反應，這些天然酶自身固有的缺陷導致在體外應用是一個巨大挑戰，例如催化活性對環境的敏感性、回收和再循環困難、制備和純化的高成本以及較低操作穩定性。近來，研究人員發現無機納米材料（金屬、金屬氧化物和碳納米顆粒）具有獨特的酶催化活性，或許可以克服上述缺點。因此，開發適當的納米酶級聯反應以仿線粒體進行穩定的氧化磷酸化是非常重要的。

【成果簡介】

? ? ? ? 最近，中國科學院化學研究所李峻柏研究員（通訊作者）團隊通過整合合成納米酶和天然ATP合酶作為區室化結構提出了一種新的模擬線粒體氧化磷酸化的方法。利用空心二氧化硅微球的金納米顆粒(AuNPs) 負載葡萄糖氧化酶和過氧化物酶。在AuNPs催化劑和氧氣存在下，進行級聯反應將葡萄糖轉化為葡萄糖酸，同時產生過氧化氫（H₂O₂），生成的葡萄糖酸使得周圍的pH降低并產生質子梯度。然后，質子擴散穿過蛋白脂質體膜，驅動空心二氧化硅微球的表面上重構的天然ATP合酶，將ADP和無機磷酸轉化為ATP。通過AuNPs的重整可以清除產生的H₂O₂，以消除可能對ATP合酶的氧化。這種組裝形成的人工酶具有類似線粒體內酶氧化磷酸化的高活性。該項工作提供了一個新的天然人工酶的制備方案，在ATP驅動的生物能源供應系統中具有很大的應用前景。研究成果以題為“Nanozyme-Catalyzed Cascade Reactions for Mitochondria-Mimicking Oxidative Phosphorylation”發布在國際著名期刊Angew. Chem. Int. Ed.上。

【圖文解讀】

組裝的天然-人工混合結構的示意圖以及相關的納米酶催化的級聯反應，以完成模擬線粒體氧化磷酸化的過程

【小結】

綜上所述，制備的納米酶可以級聯催化反應，以在自然-人工混合結構中實現仿線粒體的氧化磷酸化。AuNPs被固定在空心二氧化硅微球中可以同時起到葡萄糖氧化酶和過氧化物酶的作用。在氧氣存在的情況下，包封在微球中的AuNPs可以將葡萄糖氧化成葡糖酸，同時產生的H₂O₂也可以被AuNPs消耗掉。然后，在葡萄糖酸介導的矢量質子梯度驅動下，可以類似天然線粒體中的氧化磷酸化一樣，通過ATP合成酶的旋轉催化合成ATP。同時，氧化磷酸化的效率可以達到4920 nmol/mg/h，與天然系統中的酶的催化效率相當。總之，該策略開辟了化學-生物能量轉換系統的新途徑。

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

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