在自然界中蛋白质被精准折叠成三维结构，发挥独特的生理功能。例如，在细胞色素c (Cyt c)中，血红素中心通过二硫键与多肽骨架共价结合，轴向配位氨基酸分别为组氨酸(H18)和蛋氨酸(M80)，是一种高度稳定的六配位低自旋血红素蛋白，在线粒体电子传递过程中发挥重要作用；而过氧化氢酶(CAT)和过氧化物酶等氧化还原酶，其血红素中心则通过弱的非共价相互作用固定在多肽骨架，仅包含一个轴向氨基酸，形成具有高氧化还原活性的五配位高自旋Fe中心。这些氧化还原酶可有效清除活性氧及其高活性分解产物，防止细胞氧化损伤。
在细胞内，蛋白质结构的精准折叠通常需要依赖分子伴侣的功能。分子伴侣是一种具有笼状结构的蛋白质多聚体，笼状空腔可封装错误折叠或非折叠的蛋白质，并在ATP作用下介导蛋白质折叠成正确的结构（图1a）。受启发于此，近年来科学家致力于设计人工多孔材料，通过类似的封装作用调控蛋白质构象。尽管金属有机框架、共价有机框架等多孔材料在蛋白质封装方面取得了系列的进展，但目前仍未有有效策略来调控蛋白质的构象，并赋予蛋白质非天然的本征活性。
近日，中山大学化学学院陈国胜副教授和欧阳钢锋教授团队提出一种氢键有机框架仿生封装策略，调控Cyt c构象并赋予其类CAT的生物催化功能。鉴于HOF材料温和的结晶条件，研究人员首先在Cyt c表面原位生长一层HOF材料（HOF-101）；原位形成的刚性HOF-101框架与Cyt c表面氨基酸残基形成强烈的氢键界面作用，从而将Cyt c血红素构象介导成类似CAT的结构（图1b）。得到的Cytc@HOF-101生物纳米复合体系可在苛刻的非生理条件下执行CAT的催化功能，并具有良好的循环利用性。该研究提出利用人工氢键支架调控蛋白质构象的概念，并突出HOF纳米技术在调节、稳定酶活性方面的优势。
图1. （a）GroEL-GroES分子伴侣折叠蛋白质的原理图;（b）HOF仿生封装调控Cyt c构象的示意图
相关研究成果以“Hydrogen-bonded organic framework biomimetic entrapment allowing non-native biocatalytic activity in enzyme”为题发表在国际著名期刊Nature Communications（Nat. Commun. 2022, 13, 4816），并被编辑选为亮点论文。中山大学化学学院陈国胜副教授和童琳净博士生为该论文的第一作者，陈国胜副教授和欧阳钢锋教授为通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金，广东省自然科学基金等项目的资助。
来源：中山大学
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