酶對于維持生命體系的正常功能是至關重要的。發(fā)展仿生酶來模擬天然酶，是化學生物學中的一個重要研究方向。在理解天然酶的結構、催化活性位點以及催化機理的基礎上，如何設計與合成出高效的仿生酶，則頗具挑戰(zhàn)性。超分子自組裝是獲得具有高催化活性仿生酶的一個重要方式，即通過超分子作用，驅動多個催化單元緊密地組裝在一起，其局部濃度增大，使之具有協(xié)同效應，展示出高催化反應活性。通過超分子組裝方式獲得高催化活性的仿生酶的典型例子有膠束/囊泡仿生催化體系和納米纖維仿生催化體系。
在已報道的膠束/囊泡仿生催化體系中，一般是借助碳氫烷基鏈(H-鏈)之間的疏水作用，來實現(xiàn)膠束/囊泡組裝體的構建。但由于H-鏈的構象變化快、遷移率高，從而導致其熵值高，這也意味著底物與催化活性位點作用的時間窗口過短，底物反應來不及發(fā)生，催化活性位點發(fā)生移動，使之表現(xiàn)出低催化活性。與H-鏈相比，全氟化烷基鏈或高氟化的烷基鏈(F-鏈)則有幾方面的優(yōu)點(圖1)：(1) F-鏈的構象自由變化受到顯著限制，有利于其堆積和“有序化”組裝；(2)表面張力降低；(3)疏水性顯著增強?；谏鲜鲅芯勘尘?，華僑大學材料科學與工程學院沈江珊課題組結合其前期在原位形成多價性結構的金屬配位聚合物Ag-S-Cn-TACN·Zn2+磷酸酯水解仿生酶(Chem. Eur. J., 2021, 27, 7646?7650)以及最簡化二肽類巰基分子自組裝成多價性納米纖維的羧酸酯水解仿生酶(ACS Omega, 2023, 8, 2491?2500)的工作，提出擬利用F-鏈在水溶液中優(yōu)異的自組裝性，在高氟化烷基鏈的一端聯(lián)接上1，4，7-三氮雜冠醚環(huán)(TACN)基團，經(jīng)Zn2+離子配位作用驅動組裝，以期獲得更低的臨界聚集濃度(CAC)和更緊湊的多價性組裝體結構，對磷酸酯底物的水解反應表現(xiàn)出更高的催化活性。
圖1 H-鏈型的膠束組裝體和F-鏈型的膠束組裝體比較 圖2 本工作所合成的高氟化CnF2n+1-CmH2m-TACN和對照化合物全碳氫C11H23-TACN的分子結構。 為了驗證上述設想，設計與合成了一系列具有不同碳原子數(shù)目烷基鏈的TACN衍生物(CnF2n+1-CmH2m-TACN，其中n = 6、8、10 和 m = 2、3；圖2)。在水溶液中，與全碳氫烷基鏈相比，Zn2+離子配位驅動的F-鏈組裝體具有更低的CAC，且可催化磷酸酯水解反應。除了Zn2+離子外，Cu2+離子配位也可驅動F-鏈型TACN衍生物組裝表現(xiàn)出更低的CAC值，并可作為一種仿生氧化酶催化OPD的氧化反應，從而展示催化底物反應的多樣性。在催化磷酸酯模型底物HPNP的水解反應時，在兩種實驗條件：(i)在相同催化劑濃度下，(ii)在相應的CAC濃度下，F(xiàn)-鏈的Vmax遠高于相應H-鏈的Vmax，而KM則相反(圖3)。這種F-鏈組裝體表現(xiàn)出幾個重要特征：(1)更緊湊和穩(wěn)定的組裝體結構，(2)對底物的結合能力和催化活性更高，(3)良好的可分離性和重復使用性，以及催化活性的可調控性。粗?；肿觿恿W(CGMD)的模擬研究從組裝體穩(wěn)定性、自由能和底物的結合能力等方面，很好地揭示了F-鏈組裝體與H-鏈組裝體在底物親和力和催化活性上的差異性(圖4)。 圖3 (a) C8F17-C3H6-TACN·Zn2+或C11H23-TACN·Zn2+ (插圖)催化HPNP水解反應中UV-vis吸收光譜隨反應時間的變化圖，(b)其他對照實驗的Abs @ 400 nm隨反應時間變化的關系曲線。(c) 110 μM C8F17-C3H6-TACN·Zn2+ (1，紅線)和1000 μM C11H23-TACN·Zn2+ ( 2，藍線)分別在其CAC和1000 μM C8F17-C3H6-TACN·Zn2+ ( 3，黃線)催化HPNP水解反應的Michaelis-Menten方程擬合曲線。(d)為(c)曲線所擬合的Vmax和KM值。 圖4 CGMD模擬C8F17-C3H6-TACN·Zn2+和C11H23-TACN·Zn2+聚集體的形貌(a)、回轉半徑(b)、HPNP與聚集體接觸次數(shù)(c)，以及脫離聚集體所需能量(d)比較。 論文信息 Polyfluoroalkyl Chain-Based Assemblies for Biomimetic Catalysis Ning Liu, Dr. Ping Gao, Hai-Yan Lu, Dr. Lei Fang, Prof. Julien Nicolas, Prof. Tap Ha-Duong, Prof. Jiang-Shan Shen 法國Université Paris-Saclay的Julien Nicolas教授、Tap Ha-Duong教授與Ping Gao博士為這項研究提供了重要的理論計算支持。 Chemistry – A European Journal DOI: 10.1002/chem.202302669
