Chem. Mater. | 具有药物降解和光控能力的超分子仿氧化酶材料

英文原题：Self-Assembled G‑fold DNA/Amino Acid Amphiphiles-Based Oxidase-Mimetic Materials Exhibiting Drug-Degrading and Photoswitchable Capabilities

通讯作者：Zhen-Gang Wang（王振刚）

作者：Shichao Xu（徐世超）, Haifeng Wu（吴海峰）, Yuanxi Liu（刘源溪）, Zhen-Gang Wang（王振刚）*

酶是一种广泛存在于细胞内的生物大分子，能够在温和的条件下高效地催化多种反应。天然酶优异的催化性质很大程度上源于其独特的三维折叠结构，但这也导致天然酶潜在的不稳定性，而且天然酶也存在立体选择性弱、结构复杂改造难、无法循环使用等问题，这使得酶在严苛环境下的应用受到限制。基于酶催化原理发展的超分子自组装模拟酶在近些年来引起广泛的关注，为酶催化剂的从头设计和制备提供了可行的途径。

北京化工大学王振刚教授团队长期致力于发展新型高性能仿生催化材料。在课题组前期研究中，通过多组分组装策略将两亲性氨基酸与核苷酸组分和Cu²⁺共组装，构建了具有高活性和高稳定性的超分子多铜氧化酶（Nat. Commun. 2023, 14, 4040; Chem. Mater. 2023, 35, 10515; Nano Lett. 2023, 23, 11461.）在此基础上，他们设计了能够分子内折叠形成G-四链体的DNA（G4-DNA），使其与Fmoc-氨基酸（如Fmoc-赖氨酸）有效相互作用，促进这两种组分与Cu²⁺共配位形成类似天然儿茶酚氧化酶的活性中心。此外，G-四链体能够对反式偶氮苯或阿霉素等分子表现出较好的亲和性，实现催化活性的动态调控和加速药物的氧化降解。

图1. 超分子仿酶催化剂设计示意图

实验与理论结果表明，Fmoc-赖氨酸能够与G4-DNA的沟槽结合（K_d, 189 ± 17.2 μM），Cu²与两个分子组分共配位且不改变其各自的组装结构。EXAFS结果证实催化剂中存在双铜活性中心，且Cu的间距为3.41 Å，与天然儿茶酚氧化酶中Type 3 Cu（∼3.43 Å）相似，表明Fmoc-赖氨酸和G4-DNA自组装形成了仿儿茶酚氧化酶活性中心的配体层结构。该仿酶催化剂能够催化多种底物的氧化反应（2,4-二氯苯酚、四甲基联苯胺、2,6-二甲基苯酚、3,5-二叔丁基邻苯二酚等），且活力远高于目前所报道的含Cu类的仿酶催化剂。此外，所制备的催化剂表现出优异的稳定性，能够在高温、高离子强度条件下工作，并且能够在室温下长时间储存。

图2. 超分子仿酶催化剂的结构表征和催化性能测定

多组分组装构筑仿酶催化剂的策略，可以使得通过对任一组分的设计，实现对催化剂功能的调控。作者选用能与偶氮化合物结合的G-四链体DNA序列（G4-DNA-Azo），其与反式偶氮化合物（K_d 13.2 μM）的结合能力要明显强于与顺式偶氮化合物（K_d 1536.91 μM ）的结合能力。在可见光下，偶氮化合物保持反式构象与G4-DNA-Azo相结合，这阻碍了G4-DNA-Azo与Fmoc-赖氨酸之间的相互作用，此时活性较低（“关”）；当经过紫外光照射后，偶氮化合物转变为顺式结构并离开G4-DNA-Azo，Fmoc-K与G4-DNA-Azo相互作用，增强Cu²⁺的催化氧化能力，活性状态转变为“开”。光控分子与G-四链体DNA的引入使得超分子氧化酶活性能够在不同光源的照射下实现“开”与“关”的动态调节。

图3. 超分子仿酶催化剂的动态调控（a）和对阿霉素药物的降解（b）

作者还引入了能够与阿霉素（DOX）特异性结合的G-四链体DNA序列（G4-DNA-DOX），其不仅能够与Fmoc-赖氨酸相互作用，促进多铜活性中心的形成，而且通过DNA组分与DOX的亲和能力，拉近DOX底物与Cu²⁺活性位点的距离，加快催化剂对阿霉素的降解。

总结与展望

王振刚教授团队利用多组分组装的策略，将Fmoc-赖氨酸与G-四链体DNA和Cu²⁺共组装，构建了具有高催化活性和稳定性的仿酶催化剂。这项工作展示了多组分组装策略在构建依赖铜的氧化酶类催化剂方面的优越性，例如有利于形成仿金属酶的配体层结构，以及通过调控单一组分的结构，控制催化特性或促进目标底物的转化。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Self-Assembled G-fold DNA/Amino Acid Amphiphiles-Based Oxidase-Mimetic Materials Exhibiting Drug-Degrading and Photoswitchable Capabilities

Shichao Xu, Haifeng Wu, Yuanxi Liu, and Zhen-Gang Wang*

Chem. Mater. 2024, 36, 9, 4357–4367

Publication Date: April 20, 2024

https://doi.org/10.1021/acs.chemmater.3c03281 

© 2024 American Chemical Society

（本稿件来自ACS Publications）