酶被捕获并被破坏以供细胞外使用

大自然精确地控制着每个细胞中数千种化学反应。其中许多形成复杂的反应链，类似于多米诺骨牌的下降线：当酶触发链的第一反应时，其他反应按顺序触发。这种反应级联难以在生命系统之外重建。

即使当使用与自然界中产生的催化剂相同的催化剂时，当在试管中进行级联时，通常也不可能实现天然存在的反应速率。写于Angewandte Chemie，Megarity等。1报告了这个问题的解决方案，模拟了一种促进效率的自然发生的策略：合作催化剂的共定位。

使用酶催化反应提供了使用常规催化剂的替代方案，并且可以极大地提高化学过程的可持续性，安全性和成本2。当在单个反应容器中顺序进行多个化学反应时，优点被放大，类似于在细胞中发生反应级联的方式。这些优势促使科学家设计出改进的酶促反应平台，尽管难以在细胞外重构多酶级联过程3。

生物反应通常需要将电子穿梭到催化剂上，使用几种共同定位于细胞中的蛋白质和小分子载体。一些策略可以促进细胞中的这种电子穿梭，包括在穿梭路径4中的伙伴之间的高亲和力相互作用的工程化。这种相互作用可以通过蛋白质 - 蛋白质界面5，通过酶活性位点6中的小分子的结合以及通过区分单个细胞器7内的反应物来实现。这三种方法的组合用于细胞中以形成纳米级反应器，与溶液8中自由发生的类似过程相比，这加速了反应。

Megarity等。设想通过将酶在合成纳米反应器中捕获在大量电子表面上来模拟这种自然过程，从而促进为生物催化反应提供动力所需的电子传输。从同一组作为当前作者的研究人员此前曾报道9调用酶铁氧还蛋白NADP+还原酶(FNR)与由氧化铟锡(ITO)制成的电极的孔紧密结合。在自然系统中，FNR从称为铁氧还蛋白的蛋白质配偶体接受两个电子。电极和FNR之间的相互作用模拟了ferrodoxin-FNR蛋白质 - 蛋白质相互作用的静电。更具体地，电极的带负电荷的表面模拟带负电荷的铁氧还蛋白斑，其与FNR的带正电荷的表面形成界面(图1a)。

FNR使用从铁氧还蛋白接收的电子来化学还原称为NADP+的小分子- 一种充当电子穿梭器的辅助因子。然后，还原形式的辅因子NADPH可以将电子传递给级联中的下一个酶(图1a)。ITO电极提供高定位的电子浓度，Megarity等人。预计它们可以通过用纳米多孔ITO表面代替铁氧还蛋白来增强天然FNR系统，该表面将FNR与在级联中执行最后步骤的伴侣酶共同捕获(图1b)。

为了证明这一概念，作者首先确定FNR和第二种酶(醇脱氢酶; ADH)可以共同包裹在ITO电极的无序孔中。当FNR和ADH都被吸附到电极上并置于含有NADP+和ADH底物的溶液中时，作者观察到反应产物的形成。他们还观察到电流，其大小取决于存在的FNR的量，表明发生了FNR介导的电子穿梭。

Megarity等。发现装有酶的电极可以通过用水彻底冲洗然后将其插入反应基质的新鲜溶液中来重复使用。这不仅证明了它们的设置的稳健性，而且还表明FNR和ADH都在电极孔内紧密结合。相比之下，作者发现NADP+大部分不会保留在孔隙中，必须加入到反应溶液中以恢复高反应速率。

作者的系统简化了电子传输并加速了由电子转移到FNR引发的级联的辅助因子再生速率。研究人员估计，这种纳米细化策略导致局部浓度为1.6毫摩尔 - 比溶液浓度高约1,000倍 - 对于孔中的每个催化成分，这减少了辅助因子在FNR和ADH之间行进所需的距离与距离相比如果反应纯粹在溶液中进行，则需要。结果，产品形成的总体速率增加。Megarity及其同事计算出反应中的每个“最小催化单位” - 反应所需的最少量的酶分子和辅因子;在这种情况下，一个FNR，

令人鼓舞的是，作者表明，在其系统中可以使用其他三种NADPH依赖性酶代替ADH来催化各种还原反应。这表明纳米细化方法可以对NADPH依赖性生物催化转化具有广泛的应用 - 尽管观察到的每种酶的反应动力学是不同的。需要进一步的工作来定义NADPH依赖性酶的全部范围和由非NADPH辅助因子驱动的酶类，这些酶与该策略相容。

例如，在作者的系统中测试除FNR之外的还原酶将揭示多孔电极是否通常可以作为电子穿梭途径中蛋白质的电子来源，以及该策略是否可用于再循环除NADPH之外的辅助因子。许多类酶依赖于电子传递，并且允许它们在生物系统外的反应中有效使用的一般策略可以显着改善这种反应的可扩展性。它还可以促进电子供应伙伴未知的酶的研究。

Megarity及其同事的工作探索了两种酶的纳米细胞。人们还可以想象将额外的酶包装到电极孔中以提高更复杂的多酶级联的效率。因此，合成区室化系统的使用可以用于酶法生产化学工业中大规模生产的简单“商品”化学品和结构上复杂的分子，例如药剂。