设计生命体系非均相催化剂的难点及应对策略

设计生命体系非均相催化剂的难点及应对策略

为生物系统设计非均相催化剂的困难是什么？

在生命系统中，蛋白质发挥着重要的生物学功能，蛋白质的一些生物学功能受到翻译后修饰的调控。

其中，通过蛋白磷酸酶和激酶的协调调控而发生的可逆磷酸化是上述特性最重要的形式之一。

然而，在病理微环境中，蛋白磷酸酶的催化​​活性受损，导致α-突触核蛋白和tau等神经元蛋白发生不可逆的磷酸化。

这种紊乱最终会破坏神经元蛋白质的结构和生物学功能，严重时甚至会损害突触功能，导致神经退行性疾病的发生和发展。

尽管有学者利用蛋白磷酸酶对磷酸化的蛋白质进行去磷酸化，并清除过度磷酸化的蛋白质形成的聚集体。

然而，激酶系统和蛋白磷酸酶系统之间的失衡仍然是一个不可避免的挑战，这将以持续和不可逆的方式加剧神经元蛋白质的异常翻译后修饰。

有望利用具有类酶活性的人工催化剂来弥补内源酶催化活性的受损，从而调节蛋白质。

然而，当使用人工催化剂替代天然酶时，由于缺乏有效的催化中心，其有效性会受到影响。

天然酶具有优良的催化性能，其关键因素之一是其催化中心存在不对称单元。

虽然小分子不对称催化剂也能选择性地生成中间体，从而有助于高效的催化反应，但是小分子不对称催化剂在实际的生物医学应用上却面临着脱靶副作用、体内快速清除、非特异性生物分布等挑战。

其中，具有不对称催化中心的非均相纳米催化剂由于表面易于修饰，有望克服小分子不对称催化剂的局限性。

然而，设计一种像天然酶一样具有不对称催化中心的非均相催化剂仍然不容易。

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探索尚未开发的科学研究领域

精准调控蛋白质是治疗疾病的重要策略之一，该策略采用异双功能分子：靶向蛋白质降解嵌合体（，）。

具体使用时：目标蛋白的配体与目标蛋白会结合，E3泛素连接酶的配体与细胞内的E3泛素连接酶的底物结合区会结合，从而将目标蛋白“拉”得更靠近E3泛素连接酶。

从而使泛素-蛋白酶体系统降解目标蛋白质，从而彻底消除其功能，最终达到治疗疾病的目的。

但蛋白质是机体生命活动的基本执行者，因此凌代顺经常思考：能否设计一种人工蛋白质调控剂，直接精准调控功能失调的蛋白质，从而恢复其原有的生理功能，而不是彻底消除它们？

据报道，蛋白质的生物学功能受翻译后修饰调控，其中由蛋白磷酸酶和激酶调控的可逆磷酸化是最重要的形式之一。

但在病理微环境中，蛋白磷酸酶的催化​​活性会受损，导致蛋白质发生不可逆的磷酸化，从而破坏蛋白质的结构和生物学功能。

在前期工作中，该论文第一作者林培华博士后对二氧化铈纳米催化剂的类磷酸酶活性机理进行了深入研究，并验证了其在体内调控磷酸信号通路的能力，相关论文也已成功发表[2]。

虽然取得了一些进展，但是氧化铈纳米催化剂的磷酸酶活性仍不令人满意，限制了其在体内水平的治疗应用。因此，他们希望找到提高其催化活性的方法。

在这项研究开始之初，他们开始在微观尺度上对氧化铈纳米催化剂进行改性，从而制备了一系列铈基纳米催化剂，并测试了其类磷酸酶活性。然而，这些努力似乎并没有得到回报。

当林佩华汇报项目进展时，凌代顺看着幻灯片问道：“如果从介观尺度难以达到预期的效果，为什么不尝试在纳米尺度界面上控制原子尺度的对称性？”

此前，德国化学家本杰明·李斯特和美国化学家戴维·W·C·麦克米伦因开发出第三类催化剂“不对称有机催化”而获得2021年诺贝尔化学奖。

要知道，二氧化铈纳米催化剂的催化中心是由铈离子和氧空位组成，呈现对称结构。

那么，如果能在原子水平上直接对催化中心进行修饰，打破其原有的对称性，构建非对称催化中心，催化性能将会发生哪些变化？

此前对不对称催化剂的研究主要集中在酶、金属配合物、有机催化剂等方面，无机纳米催化剂领域目前还是一个尚未被探索的科研空白，因此凌代顺建议团队成员一起去探索这个未知领域。

他说：“林佩华医生很有见地，听完演讲后恍然大悟，激动地说：‘在人体中，不对称现象随处可见，就如同我们的五脏六腑，位置并不对称，但各有各的功能。’”

天然酶的高催化性能是否与其不对称结构有关？在原子水平上对铈基纳米催化剂催化中心进行不对称修饰能否带来质的变化？

这些想法和问题点燃了整个团队的研究热情，团队成员开始夜以继日地进行详细的文献调研和论证，结果发现，生命体系中一些重要的天然酶之所以能发挥优异的催化性能，一个关键因素就是催化中心存在不对称单元。

随后，他们开始在材料纳米表面原子尺度上对催化中心进行修饰，事实上，该课题组在前期工作中已证明二氧化铈纳米催化剂的表面氧空位是其发挥类磷酸酶活性的催化位点[2]。

具体机理为：表面氧空位周围的铈离子可以分别吸附亲核试剂和磷酸化底物的磷酸基团，从而促使亲核试剂进攻磷酸基团，进而使磷酸化的蛋白质分子发生去磷酸化反应。

基于此，他们受到天然蛋白磷酸酶催化结构的启发，设计了一种表面氧空位驱动的阳离子交换策略。

利用该策略可以将锰离子精准可控地引入到二氧化铈纳米催化剂表面氧空位的外围，从而构建由表面氧空位、铈离子和锰离子组成的非对称催化中心，最终得到人工蛋白质调控子。

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天然与人工有何区别？

蛋白磷酸酶存在于人体中，是一类催化磷酸化蛋白质去磷酸化的酶分子。

蛋白磷酸酶与蛋白激酶构成可逆的磷酸化开关系统，共同调节蛋白质活性。

课题组会议上，李方圆相继提问：“与天然蛋白磷酸酶相比，本次设计的人工蛋白调控因子在结构和功能上具体有哪些异同？”“本次设计的人工蛋白调控因子如何对蛋白质进行翻译后修饰？”

为了研究清楚这些问题，团队成员开展了新一轮的文献研究和实验。

此次设计的人工蛋白质调节剂是一种具有与蛋白质磷酸酶相似活性的锰单原子掺杂氧化铈纳米催化剂，它可以与体内的蛋白激酶协同，共同调控蛋白质的可逆磷酸化。

人体蛋白磷酸酶的催化​​中心具有不对称催化单元，这使蛋白质分子具有优异的催化性能，并可以使锰离子、镁离子等金属辅因子保留在催化中心。

人工蛋白调节剂还具有不对称催化中心，该中心是通过锰离子掺杂构建的，这一特性的好处在于让人工蛋白调节剂具有优异的蛋白磷酸酶样活性。

由于人工蛋白质调节剂具有类似蛋白磷酸酶的活性，可以通过双分子亲核取代反应，打断磷酸化蛋白质的磷氧键，从而对蛋白质进行翻译后修饰。

具体原理为：在二氧化铈纳米催化剂的对称催化中心处形成的亲核试剂μ3-羟基桥比较稳定，可以给磷酸化底物与催化中心结合的过程带来较大的空间位阻，也就是说，上述结合过程其实是一个吸能反应。

但由于锰（Mn）离子的半径小于铈（Ce）离子，且Mn-O键长比Ce-O键长短，且不对称催化中心由表面氧空位、铈离子和锰离子组成，导致在催化中心形成的亲核μ3-羟基桥不稳定。

当磷酸化蛋白质的磷酸基与催化中心结合时，不对称催化中心的亲核μ3-羟基桥会断裂，形成与锰离子结合的羟基，从而减少空间位阻，使上述结合过程变成自发的放热反应。

此外，在不对称催化中心，当羟基由μ3-羟基桥变为与锰离子结合的羟基时，其氧原子的电负性开始增大，有利于对磷酸基团进行亲核进攻，从而断裂磷氧键。

此次设计的人工蛋白质调控子借助不对称催化中心，可使磷酸化的蛋白质自发发生去磷酸化，从而发挥天然蛋白磷酸酶的功能。

密度泛函理论计算证明水解过程为放热反应。同时，从能量角度，研究团队还证明人工蛋白质调控剂可以自发催化磷酸化的蛋白质分子，进而促使前者发生去磷酸化反应。

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蛋白质相互作用的深入研究及成果转化

总体来看，本项研究主要侧重于材料制备和理论创新，对生物医学应用仅做了初步探索。

目前，该团队已在细胞和小鼠身上进行了一系列实验，证明合成的人工蛋白质调节剂具有良好的生物安全性。

同时，在此方向上，研究团队构建了帕金森病细胞模型和动物模型，证明合成的人工蛋白调节剂可以通过调节α-突触核蛋白的磷酸化水平来保护多巴胺能神经元，在帕金森病的治疗中展现出巨大的潜力。

本研究合成的人工蛋白调节剂并不能直接用于人类治疗疾病，未来还需要进行深入的转化和临床应用研究，包括临床前体外和体内安全性和药代动力学研究，以及针对不同疾病模型的有效剂量探索。

下一步他们将利用荧光探针修饰其表面，进一步研究去磷酸化蛋白质的生物学功能，并深入探索蛋白质间的相互作用。

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合作者李方圆表示拟利用靶向配体修饰其表面，研究其对特定蛋白磷酸化水平的调控能力，进一步探索其对蛋白病理相关疾病的治疗作用。并将在大动物不同疾病模型上开展进一步研究，验证其生物安全性和治疗效果，推动临床转化应用。

参考：

1.Lin, P., Zhang, B., Yang, H.et al.An .Nat , 2039 (2024).

2. Adv. Sci.，2021 年，

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