今天给大家分享的是在Biomacromolecules上发表的文章，题为：Regulated Polyelectrolyte Nanogels for Enzyme Encapsulation and Activation。该工作的通讯作者是华东理工大学的丁鹏和王俊有副研究员。
酶具有高效性、特异性和选择性的催化优势，因此被广泛应用于生物合成、处理和制造。酶的结构对环境的物理化学变化很敏感，在储存和操作过程中很容易失去活性。为了解决这个限制，人们已经开发了各种固定化技术和材料，包括无机和金属有机框架、聚合物胶束和囊泡材料等等，这为酶提供了密闭的环境，起到保护的作用。
酶-聚电解质(PE)的复合是一种有前景的酶固定化方法。PE是一种以离子或可离子化基团作为结构单元的聚合物，可作为一种柔软且具有功能性的支撑物，不仅可以有效固定酶，还可以提供封闭环境以提高酶活。特别地，由交联PE网络组成的PE微/纳米凝胶，结合了水凝胶和PE的优良特性，是一种先进的酶固定化方法。然而调节PE纳米凝胶的酶包封和活化的关键因素仍不清楚，而解决这个问题的前提是得到具有可调结构和特性的PE纳米凝胶。在本文中，作者开发了一种新颖的通用策略，即静电组装定向聚合(EADP)，能够制备具有化学基团多样性、可调粒径和交联度以及多重响应的PE纳米凝胶，并系统地研究了不同因素对酶包封和活化的影响。
图1. (A)带电-中性二嵌段共聚物、阳离子单体和交联剂的化学结构; (B) EADP方法制备阳离子PDMAEMA纳米凝胶; (C)PDMAEMA纳米凝胶对酶的包封和活化。
如图1所示，作者以聚(丙烯酸-b-环氧乙烷)(PAA-b-PEO)作为阴离子模板，2-(二甲氨基)甲基丙烯酸乙酯 (DMAEMA)作为阳离子单体，N,N'-亚甲基双丙烯酰胺(MBA)作为交联剂，通过聚合、NaCl溶液中的解离，最终得到了PDMAEMA纳米凝胶。
由于EADP方法依赖于静电组装和“一锅”聚合，因此改变系统的盐浓度和交联剂比例可以控制纳米凝胶的结构和性质。结果显示，固定MBA比例，提高反应溶液中的NaCl浓度，纳米凝胶的流体力学半径逐渐增大；而增大交联剂比例，纳米凝胶的流体力学半径几乎不变，低pH下的溶胀度逐渐提高。此外，TEM和Cryo-TEM图片证实了纳米凝胶的球形结构。
图2. 滴定脂肪酶后的纳米凝胶的(A)光散射强度、(B)流体动力学半径以及(C)电泳迁移率。(D)游离脂肪酶和纳米凝胶中包封的脂肪酶的CD谱。
作者选用脂肪酶作为模型酶，在pH为5.5的条件下，将脂肪酶滴定到纳米凝胶(35 nm，30% MBA)溶液中，通过静电相互作用实现酶的负载。如图2，随着脂肪酶量的增加，光散射强度增加，这表明阳离子纳米凝胶和阴离子脂肪酶之间发生络合。当酶负载量达到7.0 μg/mg之前，纳米凝胶的半径和电泳迁移率几乎没有变化，表明该范围内的脂肪酶可能主要存在于纳米凝胶内部，此外，CD谱表明纳米凝胶的包封不会破坏脂肪酶的二级结构，证实了PDMAEMA纳米凝胶的温和的环境。
图3. (A)不同尺寸、(B)不同交联度和(C)不同pH的纳米凝胶的负载能力。
随后作者研究了不同尺寸和交联度的PDMAEMA纳米凝胶的负载能力。如图3显示，纳米凝胶的负载能力更多地依赖于它的尺寸而不是交联密度。此外，作者发现较低pH值下，PDMAEMA纳米凝胶与脂肪酶的相互作用增强，有利于酶的负载。
接下来，作者研究负载在不同尺寸和交联度的纳米凝胶中的脂肪酶的酶活性。结果显示，与游离脂肪酶相比，所有包封的脂肪酶对底物的水解都显示出更高的活性，表明包封到纳米凝胶后的脂肪酶的活性增强。此外，具有较小尺寸和中等交联度的PDMAEMA纳米凝胶更有利于提高脂肪酶的酶活性。
图4. 在不同(A)pH值、(B)盐浓度和(C)温度下游离脂肪酶和纳米凝胶负载的脂肪酶的相对活性。
最后，作者比较了游离和纳米凝胶(35 nm, 30% MBA)保护的脂肪酶在不同pH值、盐浓度和温度下的催化活性,来评估PDMAEMA纳米凝胶的保护能力。结果如图4显示，将脂肪酶封装在PDMAEMA纳米凝胶中，可以提高对pH、盐和温度变化的耐受性。
总之，作者通过EADP方法合成了具有良好尺寸和交联度可调性的纳米凝胶，并系统地研究了影响脂肪酶包封和活化的因素。将脂肪酶封装在PDMAEMA纳米凝胶中，不仅可以增强酶活性，而且会提高其对pH、盐和温度变化的耐受性，该结果为PE纳米凝胶作为软纳米载体的应用提供了新的方法和思路。
作者：LJH 审校：ZRC
DOI: 10.1021/acs.biomac.1c01030
Link: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.biomac.1c01030
