提高催化效率的新型混合纳米笼结构被发现
通过引入允许更多 IrCp* 摄取的位点特异性突变，对笼子进行了氨基酸置换工程改造。图片来源：东京工业大学的 Takafumi Ueno
东京工业大学的研究人员在一项新研究中发现，一种具有组氨酸残基的新型混合铁蛋白纳米笼的金属离子吸收率提高了 1.5 倍，并提高了酒精生产的催化效率。他们的研究结果表明，混合生物纳米笼可以有效地催化反应以产生工业上重要的产品。
生物聚合物可以自发地自组装成类似于容器或笼子的复杂结构，但要小得多，被称为“纳米笼”。这些结构可以容纳它们内部的各种分子，这些分子充当“客人”。一个流行的例子是“铁蛋白纳米笼”，它是由 24 个亚基自组装成蛋白质铁蛋白形成的，可以包裹作为重要催化剂的金属离子。在这些金属离子的帮助下，催化反应将任何底物转化为产物。尽管广为人知，但铁蛋白笼在工业中的潜在应用仍有待充分探索。
迄今为止，大多数增加铁蛋白中金属离子摄取的努力都导致笼子稳定性低。要让“客人”在笼子里坐好，有效的设计是关键。牢记这一点，由日本东京工业大学 (Tokyo Tech) 的 Takafumi Ueno 教授领导的一组科学家在铁蛋白纳米笼的核心引入了位点特异性突变，并增加了其对铱复合物 (IrCp* ）。他们的研究结果发表在Angewandte Chemie上。铱是酒精生产途径中的重要催化剂，商业上用于制药、食品和化学工业。
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在将底物转化为具有高特异性的醇期间，纳米笼充当混合生物催化剂。图片来源：东京工业大学的 Takafumi Ueno
Ueno 教授解释说：“根据以前的文献，我们知道笼中配位氨基酸的存在提高了铱的活性，并且用适当的残基取代这些氨基酸可以缓解这个问题。由于铱络合物充当催化剂，因此配位残基可以发挥作用。” 作者使用氨基酸组氨酸替换了常规（野生型）铁蛋白笼中的两个残基精氨酸和天冬氨酸，并产生了突变体 R52H 和 D38H。值得注意的是，装配结构或保持架尺寸不受这些变化的影响。
接下来，他们将 IrCp* 添加到突变体中，发现 R52H 能够嵌入比野生型笼多 1.5 倍的铱原子（图 1）。但是，让他们震惊的是D38H突变体，它的行为与野生型完全一样！那么，为什么两种突变没有相同的效果呢？根据 Ueno 教授的说法，“这意味着不仅组氨酸残基的存在，而且它的位置对于确定笼子中的摄取效率至关重要。”
使用新的催化笼，研究人员能够实现高达 88% 的酒精生产率。显然，这些突变有利于反应组分的结构重新排列，从而提高了转化率（图 2）。
为了了解基质在笼内的行为，研究人员使用了模拟，其中基质分子可以在纳米笼内自由移动。他们观察到R52H突变体中底物和组氨酸之间的一些相互作用，这些相互作用在野生型笼中不存在，即底物在纳米笼中显示出优先结合。
“这些混合生物纳米笼也被发现是高度稳定的，这表明它们可以在工业应用中用作可行的催化剂，”Ueno 教授总结道。目前基于结构的金属离子结合位点研究设计可以进一步开发，以创建具有选择性吸收特定客体分子的新型铁蛋白突变体，用于化学和制药行业的各种催化应用。
参考文献：
Mohd Taher、Basudev Maity、Taiki Nakane、Satoshi Abe、Takafumi Ueno 和 Shyamalava Mazumdar 撰写的“工程化脱辅基铁蛋白纳米笼内铱复合物的受控吸收：结构和催化研究”，2022 年 1 月 10 日，Angewandte Chemie。
DOI：10.1002/anie.202116623