阿拉巴馬大學(xué)研究人員基于僅由七個氨基酸組成的肽形成的人工分子結(jié)構(gòu)，開發(fā)出了最小納米酶，能夠捕獲工業(yè)過程中排放的二氧化碳(CO2)，并適用于其他環(huán)境修復(fù)過程。這些新分子還可以充當(dāng)金屬酶，這為生物技術(shù)研究開辟了新的可能性。該研究還為生命初期催化活性的起源提供了新的貢獻(xiàn)。
該研究由薩爾瓦多·文圖拉(Salvador Ventura)擔(dān)任協(xié)調(diào)員，蘇珊娜·納瓦羅(Susanna Navarro)為第一作者，最近發(fā)表在 ACS Nano上。兩人都是生物技術(shù)和生物醫(yī)學(xué)研究所以及阿拉巴馬大學(xué)生物化學(xué)和分子生物學(xué)系的研究人員，并與阿拉巴馬大學(xué)化學(xué)系和bioGUNE研究中心的研究人員一起進(jìn)行了這項研究。
2018 年，受 淀粉樣原纖維自組裝能力的啟發(fā)，UAB 研究人員基于朊病毒蛋白的特定測序，成功地創(chuàng)造出了能夠自組裝的非常短的分子。這些人工淀粉樣蛋白具有催化活性，與天然酶相比具有模塊化、靈活性、穩(wěn)定性和可重復(fù)利用等優(yōu)點。現(xiàn)在，研究人員發(fā)現(xiàn)它們能夠有效地與金屬離子結(jié)合并充當(dāng)金屬和金屬酶存儲元件。
“這些肽很特別，因為它們不含有典型的氨基酸，例如組氨酸，組氨酸通常被認(rèn)為對于酶中金屬離子的協(xié)調(diào)至關(guān)重要，并且被認(rèn)為對于催化活性至關(guān)重要。相比之下，它們富含酪氨酸殘基，雖然這種元素在這方面鮮為人知，但如果它發(fā)現(xiàn)自己處于正確的結(jié)構(gòu)環(huán)境中，也可以具有與金屬離子結(jié)合的獨特能力。酪氨酸的這種能力正是我們用來制造納米酶的原因”，Salvador Ventura 指出。
結(jié)果可以應(yīng)用于多個領(lǐng)域。首先，納米酶是穩(wěn)定的，并且由于其具有顯著的螯合金屬離子的能力，可用于廢水處理過程或污染土壤的環(huán)境修復(fù)。其次，它們可以充當(dāng)金屬酶，能夠在現(xiàn)有酶不穩(wěn)定且無法發(fā)揮作用的條件下催化反應(yīng)。這為生物技術(shù)研究開辟了新的可能性，例如極端溫度和 pH 值下的催化反應(yīng)。
基于他們設(shè)計的納米酶，研究人員確信他們已經(jīng)成功開發(fā)了一種碳酸酐酶的簡約變體，能夠有效地儲存溫室氣體排放的二氧化碳，并且生產(chǎn)成本比天然酶低得多。
祖先酶的新視角
為了獲得這些新的納米酶，研究人員提出了這樣的假設(shè)：生命起源時的催化活性可能是短的、低復(fù)雜性肽自組裝成類似于淀粉樣蛋白的結(jié)構(gòu)的結(jié)果，淀粉樣蛋白是原始祖先酶。
“表明這些分子具有催化作用，而不需要傳統(tǒng)的基于組氨酸的配位，這代表著我們理解生命之初催化活性起源的重大變化。我們現(xiàn)在知道，如果祖先肽含有酪氨酸，則可以實現(xiàn)這種活性。因此，我們認(rèn)為基于淀粉樣蛋白的祖先酶很可能也在其化學(xué)反應(yīng)中使用了第二種氨基酸。”薩爾瓦多·文圖拉總結(jié)道。
在這項研究中，研究人員利用分光光度法、熒光法、電子顯微鏡、電子衍射和先進(jìn)的計算模型等多種技術(shù)將實驗和模擬結(jié)合起來。
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