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  酶在生命活動中扮演著十分重要的角色。它是一種具有高度底物特異性和高效催化作用的生物大分子,細胞的各種生化代謝過程皆需要在酶的參與下才能正常完成。目前，酶廣泛應用在生物醫療、生產生活等領域，但天然酶存在著穩定性差、在反應過程中其催化活性難以控制等問題，需要研究構建出具有新的特性的酶來滿足人們的應用需求。如何精確、可逆地調控酶的生物活性就具有了非凡的研究意義。

  光是一種用于原位化學和生物控制較為理想的外部控制元件，具有良好的時空特異性和非侵入性，可提供無污染、無創（一定波長范圍內）的便捷外部刺激。但絕大多數天然酶都不具備光響應性，要構建光響應酶，需要在酶的結構中引入光敏元件，這往往涉及復雜的化學、生物合成且很難實現可逆調控；另一方面，激活這些光敏元件通常需要能量較高的紫外光或藍光，而這些短波長的光會產生光毒性，組織穿透能力較差，不利于在活體條件下進行酶活調控。

  針對上述問題，華東師大生命科學學院程義云團隊在生物酶上修飾溫敏高分子和光熱元件，實現了近紅外光對酶生物活性的“開關式”可逆調控，這一成果近日發表于Science Advances (2019, 5, eaaw4252)。

  在前期工作中，該課題組在酶內部引入了光熱轉換元件，借助局部光熱效應，實現了近紅外光對酶分子的局部加熱和酶活性的動態調控（Angew. Chem. Int. Ed. 2017, 56, 6767）。但是該研究雖然能夠通過近紅外光動態地調控酶的活性，但是在不進行光照時并不能有效地關閉酶的活性，而且酶活的調節范圍非常有限，只能在光照條件下將酶活提高3倍左右。

  針對上述問題，程義云團隊在酶的表面合成了具有溫度敏感性的聚丙烯酰胺-丙烯腈共聚物，在酶的內部引入對近紅外光響應的鉑納米顆粒（圖1），實現了近紅外光可逆地調控酶活的開啟和關閉。聚丙烯酰胺-丙烯腈共聚物具有高臨界相轉變溫度。當聚合物的局部溫度低于其相轉變溫度時，表現為疏水特性，在水相體系中凝聚成微米尺度的顆粒，從而有效阻止了底物接觸酶的催化中心，實現對酶活性的關閉；而當聚合物所處的環境溫度高于其相轉變溫度時，表現為親水特性，酶復合物進一步解聚成單分子形式，從而恢復酶的催化活性。利用酶內部的超小光熱納米材料的局部光熱效應，可以動態調控酶所處的環境溫度以及酶的生物活性。該團隊成員以葡萄糖淀粉酶、蛋白酶、核酸酶為研究對象（圖2-圖4），在調控過程中實現了數十倍的酶活調節。該研究為近紅外光可逆、開關式調控酶的生物活性提供了新的方法和思路。

圖1：近紅外光可逆調控酶活的作用機制。

圖2：近紅外光可逆地打開和關閉葡萄糖淀粉酶的活性。

圖3. 近紅外光調控葡萄糖淀粉酶的活性實現水凝膠光照圖案化。

圖4. 近紅外光調控核酸酶的活性。

  該論文的通訊作者為華東師大生命科學學院、上海市調控生物學重點實驗室的程義云研究員和張強研究員，第一作者為華東師大生命科學學院的碩士研究生張松。該研究成果得到了國家自然科學基金、上海市科委等項目經費的大力支持。

  論文鏈接：https://advances.sciencemag.org/content/5/8/eaaw4252.abstract