多肽自组装模拟酶的构建、机理与应用

The combination of enzymology, supramolecular chemistry and material science leads to the flourishing development of supramolecular artificial enzyme. Due to the similar properties to the natural protein, the self-assembled peptide is considered to be an ideal material to produce artificial enzymes. In this proposal, we develop a peptide-based artificial enzyme to mimic the catalytic function of natural lipase through the systematically study on the construction, mechanism and application. (1) A rational design and screening of the peptides is carried out in order to find the proper molecular structure and microenvironment for peptide-based artificial enzyme and figure out the key factors on its activity. (2) Multi-scaled characterization strategy is performed to reveal the unique structure of peptide-based artificial enzyme. Then, the relationship between structure and function is established so as to give a convincing catalytic mechanism of peptide-based artificial enzymes. (3) Moreover, molecular imprinting method is combined with the self-assembly process in order to produce a novel hybrid hydrogel artificial enzyme which shows highly-effective specificity towards the target substrate. The obtained specific biocatalyst is further applied to the chiral resolution reaction to evaluate its efficiency, stability and reusability. The concepts, methodologies and mechanism presented by this study will promote the development of peptide-based artificial enzyme and open an avenue for the design and manipulation of enzyme mimics.

超分子人工模拟酶是酶学、超分子化学、材料学交叉融合所产生的新兴前沿研究领域。自组装多肽因其近似天然蛋白质的性质，成为构筑超分子人工模拟酶的理想基材。本项目以脂肪酶为对象模拟体系，对肽组装模拟酶的构建、机理及应用开展系统性研究。（1）通过对多肽序列的分子结构和微环境进行合理设计和筛选，确定影响催化功能的关键因素，获得具有脂肪酶催化活性的肽组装模拟酶；（2）借助多种先进分析测试手段，对肽组装模拟酶的性质和结构进行多角度、多尺度的解析，探明多肽组装体独特分子结构与其催化功能的关系，进而揭示肽组装模拟酶的催化机制；（3）进一步，针对多肽自组装模拟酶底物专一性差的缺陷，结合分子印迹原理和技术，开发新型的具有专一催化活性的多肽-分子印迹杂化凝胶模拟酶，并最终将其应用于手性化合物酶促拆分反应体系。本项目的研究手段和研究成果可为新型超分子人工模拟酶的开发及应用提供理论指导和技术借鉴。

本项目通过合理设计多肽分子作为基本单元，经自组装或共组装构筑多种具有酶样催化功能的肽组装模拟酶，借助多种分析测试手段揭示肽组装体多级结构与催化功能之间的关系，并探索其在生物医学检测领域的应用。具体研究中：.1. 由天然酶结构和功能特点出发，设计了多种具有不同序列组成、分子结构、催化位点的短肽分子，经诱导组装，成功构建了具有水解酶、过氧化物酶、漆酶及碱性磷酸酶催化活性的肽组装模拟酶。从3方面总结了肽组装模拟酶设计和构建的基本途径和策略，即：向多肽序列中引入天然酶催化位点氨基酸、重构天然酶催化反应的电子传递系统、或复制天然酶催化中心关键结构。.2. 总结出一套系统研究肽组装模拟酶结构及性质的方法。借助紫外光谱、红外光谱、圆二色谱、X-射线衍射、核磁共振、拉曼光谱等分析测试手段，对肽组装模拟酶的超分子结构进行多尺度解析。结合分子模拟、动力学建模等方法探明多肽序列及组装体结构对催化活性的影响机制。最终揭示催化辅因子与肽组装体的结合方式、多肽组装程度与活性的联系、超分子结构与催化功能之间的构-效关系。.3. 针对肽组装模拟酶催化专一性不强，底物谱宽泛的问题，结合分子印迹技术，在肽组装体表面构造底物专一性结合位点，获得了两类对特定底物具有选择性的分子印迹-肽组装模拟酶。.4. 基于所制备得到的肽组装模拟酶，建立了针对肾上腺素、葡萄糖、尿酸、肌酸等疾病标志物的比色检测方法，验证了肽组装模拟酶替代传统天然酶在生物医学传感检测中应用的可行性。. 本项目的研究思路、方法和成果可为超分子模拟酶的设计、开发和应用提供参考。研究成果共发表SCI论文15篇，参编出版英文专著1部，授权中国发明专利1项，获得2017年度教育部高等学校科学研究优秀成果奖自然科学二等奖1项；依托本项目培养博士、硕士研究生9人，研究团队入选2018年天津市高层次创新创业团队资助计划。