今天給大家分享的是在Biomacromolecules上發(fā)表的文章，題為：Regulated Polyelectrolyte Nanogels for Enzyme Encapsulation and Activation。該工作的通訊作者是華東理工大學(xué)的丁鵬和王俊有副研究員。
酶具有高效性、特異性和選擇性的催化優(yōu)勢，因此被廣泛應(yīng)用于生物合成、處理和制造。酶的結(jié)構(gòu)對(duì)環(huán)境的物理化學(xué)變化很敏感，在儲(chǔ)存和操作過程中很容易失去活性。為了解決這個(gè)限制，人們已經(jīng)開發(fā)了各種固定化技術(shù)和材料，包括無機(jī)和金屬有機(jī)框架、聚合物膠束和囊泡材料等等，這為酶提供了密閉的環(huán)境，起到保護(hù)的作用。
酶-聚電解質(zhì)(PE)的復(fù)合是一種有前景的酶固定化方法。PE是一種以離子或可離子化基團(tuán)作為結(jié)構(gòu)單元的聚合物，可作為一種柔軟且具有功能性的支撐物，不僅可以有效固定酶，還可以提供封閉環(huán)境以提高酶活。特別地，由交聯(lián)PE網(wǎng)絡(luò)組成的PE微/納米凝膠，結(jié)合了水凝膠和PE的優(yōu)良特性，是一種先進(jìn)的酶固定化方法。然而調(diào)節(jié)PE納米凝膠的酶包封和活化的關(guān)鍵因素仍不清楚，而解決這個(gè)問題的前提是得到具有可調(diào)結(jié)構(gòu)和特性的PE納米凝膠。在本文中，作者開發(fā)了一種新穎的通用策略，即靜電組裝定向聚合(EADP)，能夠制備具有化學(xué)基團(tuán)多樣性、可調(diào)粒徑和交聯(lián)度以及多重響應(yīng)的PE納米凝膠，并系統(tǒng)地研究了不同因素對(duì)酶包封和活化的影響。
圖1. (A)帶電-中性二嵌段共聚物、陽離子單體和交聯(lián)劑的化學(xué)結(jié)構(gòu); (B) EADP方法制備陽離子PDMAEMA納米凝膠; (C)PDMAEMA納米凝膠對(duì)酶的包封和活化。
如圖1所示，作者以聚(丙烯酸-b-環(huán)氧乙烷)(PAA-b-PEO)作為陰離子模板，2-(二甲氨基)甲基丙烯酸乙酯 (DMAEMA)作為陽離子單體，N,N'-亞甲基雙丙烯酰胺(MBA)作為交聯(lián)劑，通過聚合、NaCl溶液中的解離，最終得到了PDMAEMA納米凝膠。
由于EADP方法依賴于靜電組裝和“一鍋”聚合，因此改變系統(tǒng)的鹽濃度和交聯(lián)劑比例可以控制納米凝膠的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。結(jié)果顯示，固定MBA比例，提高反應(yīng)溶液中的NaCl濃度，納米凝膠的流體力學(xué)半徑逐漸增大；而增大交聯(lián)劑比例，納米凝膠的流體力學(xué)半徑幾乎不變，低pH下的溶脹度逐漸提高。此外，TEM和Cryo-TEM圖片證實(shí)了納米凝膠的球形結(jié)構(gòu)。
圖2. 滴定脂肪酶后的納米凝膠的(A)光散射強(qiáng)度、(B)流體動(dòng)力學(xué)半徑以及(C)電泳遷移率。(D)游離脂肪酶和納米凝膠中包封的脂肪酶的CD譜。
作者選用脂肪酶作為模型酶，在pH為5.5的條件下，將脂肪酶滴定到納米凝膠(35 nm，30% MBA)溶液中，通過靜電相互作用實(shí)現(xiàn)酶的負(fù)載。如圖2，隨著脂肪酶量的增加，光散射強(qiáng)度增加，這表明陽離子納米凝膠和陰離子脂肪酶之間發(fā)生絡(luò)合。當(dāng)酶負(fù)載量達(dá)到7.0 μg/mg之前，納米凝膠的半徑和電泳遷移率幾乎沒有變化，表明該范圍內(nèi)的脂肪酶可能主要存在于納米凝膠內(nèi)部，此外，CD譜表明納米凝膠的包封不會(huì)破壞脂肪酶的二級(jí)結(jié)構(gòu)，證實(shí)了PDMAEMA納米凝膠的溫和的環(huán)境。
圖3. (A)不同尺寸、(B)不同交聯(lián)度和(C)不同pH的納米凝膠的負(fù)載能力。
隨后作者研究了不同尺寸和交聯(lián)度的PDMAEMA納米凝膠的負(fù)載能力。如圖3顯示，納米凝膠的負(fù)載能力更多地依賴于它的尺寸而不是交聯(lián)密度。此外，作者發(fā)現(xiàn)較低pH值下，PDMAEMA納米凝膠與脂肪酶的相互作用增強(qiáng)，有利于酶的負(fù)載。
接下來，作者研究負(fù)載在不同尺寸和交聯(lián)度的納米凝膠中的脂肪酶的酶活性。結(jié)果顯示，與游離脂肪酶相比，所有包封的脂肪酶對(duì)底物的水解都顯示出更高的活性，表明包封到納米凝膠后的脂肪酶的活性增強(qiáng)。此外，具有較小尺寸和中等交聯(lián)度的PDMAEMA納米凝膠更有利于提高脂肪酶的酶活性。
圖4. 在不同(A)pH值、(B)鹽濃度和(C)溫度下游離脂肪酶和納米凝膠負(fù)載的脂肪酶的相對(duì)活性。
最后，作者比較了游離和納米凝膠(35 nm, 30% MBA)保護(hù)的脂肪酶在不同pH值、鹽濃度和溫度下的催化活性,來評(píng)估PDMAEMA納米凝膠的保護(hù)能力。結(jié)果如圖4顯示，將脂肪酶封裝在PDMAEMA納米凝膠中，可以提高對(duì)pH、鹽和溫度變化的耐受性。
總之，作者通過EADP方法合成了具有良好尺寸和交聯(lián)度可調(diào)性的納米凝膠，并系統(tǒng)地研究了影響脂肪酶包封和活化的因素。將脂肪酶封裝在PDMAEMA納米凝膠中，不僅可以增強(qiáng)酶活性，而且會(huì)提高其對(duì)pH、鹽和溫度變化的耐受性，該結(jié)果為PE納米凝膠作為軟納米載體的應(yīng)用提供了新的方法和思路。
作者：LJH 審校：ZRC
DOI: 10.1021/acs.biomac.1c01030
Link: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.biomac.1c01030
