酶是经过数十亿年自然选择和优化而成的高效生物催化剂,通过催化多种多样的化学反应在生物体中发挥着重要作用。酶的折叠结构对环境的变化极其敏感,导致酶的催化性能容易受到外界条件变化的影响。因此天然酶实现高效的催化往往需要温和的反应条件,这通selleck NMR常不能满足工业转化的需求。同时,天然酶还有难以分离纯化、修饰工艺复杂等不足。研究者们为了扩大酶的应用范围发展了多样的酶工程技术,比如定向进化是调控酶功能的有效手段,但该方法仅限于酶蛋白中天然氨基酸种类的更换,无Electro-kinetic remediation法利用种类丰富的氨基酸变体或衍生物,且需要反复迭代而费时费力。基于酶本身固有的超分子属性,分子自组装作为一种自下而上构建特定结构材料的方法,具有操作方法简单、制备条件温和以及可设计性强等特点,为从头设计和制备具有酶催化功能的人工催化剂提供了一条新的途径。酶的更多活性位点是酶催化功能发挥的关键区域,如何在人工体系中模拟天然酶活性位点的几何结构和化学环境,获得催化性能能够匹敌甚至超越天然酶的催化体系,是一项有挑战性的研究课题。本论文受天然酶的活性中心结构和催化原理启发,通过生物分子自组装的方法设计并构建了三种仿氧化酶催化体系:(1)天然水解酶活性中心通常含有组氨酸残基,同时组氨酸也是多铜氧化酶(如漆酶)活性位点的关键残基,能够与辅因子铜配位并实现底物的高效转化。受到水解酶和多铜氧化酶活性中心结构的启发,本论文通过芴甲氧羰基(Fmoc)组氨酸衍生物与Cu~(2+)自组装制备了能够催化水解和氧化反应的双功能模拟酶。通过Fmoc基团的聚集,实现组氨酸咪唑基团的富集,获得了较高的催化水解活性;Cu~(2+)与Fmoc-组氨酸组装构建了具有类似漆酶多铜活性中心的氧化模拟酶,鸟嘌呤核苷酸(GMP)的加入进一步提升了催化氧化活性。模拟酶展现了催化水解-氧化(或氧化-水解)级联反应的能力,且具有良好的热稳定性,在分解芳香酯类污染物方面具有一定的应用潜力。进一步地,通过对组装基元中咪唑不同位置N的甲基修饰实现了对仿酶活性的调控;当N_δ位的H被甲基取代后,咪唑侧基的亲核能力增强以及与铜的配位-解离速度变快,使得模拟酶表现出较高的催化水解和氧化活性,而N_ε位的H被甲基取代后水解和氧化活性均明显下降,咪唑不同位置的N在催化过程中展现出异质性。该工作证实了分子自组装方法可以方便的利用两亲性氨基酸构筑级联的人工催化体系,并通过氨基酸的修饰实现对催化性质的调控。(2)基于酶-底物复合物的启发,本论文通过鸟嘌呤核苷自组装制备了负载核黄素的可光产H_2O_2的超分子凝胶状材料。鸟嘌呤核苷在K~+的辅助下通过氢键形成G四分体,进而π-π堆积成纤维,随后在交联剂的作用下形成超分子凝胶,并通过共价连接和堆积作用负载核黄素。核黄素作为光催化活性中心,鸟嘌呤核苷作为还原性底物,两者相互靠近,形成待激活的活性中心-底物复合物功能材料。在蓝光(460 nm)照射下,材料无需添加其他组分便可实现完整的催化氧化循环并释放H_2O_2,且具有优异的储存稳定性和耐热性能。光产H_2O_2的特点使得光照后的材料表现出良好的抗菌性能,同时材料具备生物安全性,有潜力成为一种无需实时光照的具有抗菌效果的伤口敷料。(3)基于辣根过氧化物酶(HRP)活性中心远端组氨酸残基在催化循环中的作用,本论文设计了富含组氨酸的多肽并与HRP共组装形成具有高催化活性的超分子复合物。组氨酸多肽能够自组装形成β-折叠结构并与HRP发生非共价相互作用改变HRP的构象,使得多肽提供的外源组氨酸可能接近血红素活性中心并加快血红素静息态和中间态的转换,从而加快酶的催化循环,使得HRP的催化速率最大提升接近3倍。同时,HRP/多肽复合物具有更好的稳定性,且组氨酸多肽表现出对其他血红素依赖酶的活性增强作用。高催化活性的HRP/多肽复合物应用于生物分子检测,能够有效提高检测灵敏度。本论文中基于天然酶启发的生物分子自组装的方法为调控酶功能、扩大酶的应用范围提供了一条简而有效的途径,为超分子化学和酶工程等领域建立了桥梁。以天然酶为灵感进行模拟酶催化体系的人工仿生设计,有助于人们理解酶的催化过程和生命的进化演变。