酶对生命至关重要，承担着催化几乎所有代谢过程的重要任务。酶在温和的条件下具有高催化效率和高底物特异性，被广泛用作纺织、生物燃料、生命支持、食品行业和制药行业等领域。然而，酶的催化特性在很大程度上取决于它们的三维分子结构和活性位点，任何干扰这种结构的外部因素，如温度或pH值的微小变化，都可能对酶的活性产生有害甚至不可逆的影响。为了提高酶的结构稳定性，进而扩大其应用范围，目前已发展多种手段对酶进行工程化处理，包括改变酶的结构、调节酶周围的微环境或者酶固定化。然而，这些策略在单酶尺度下的调控难以同时满足以下要求：（1）保持高酶活性；（2）增强对温度变化、有机溶剂、脱水和/或极端pH的长期抵抗能力；（3）能够调节或可逆改变酶活性。酶高质量改造的关键挑战在于如何发展新的策略在单酶尺度实现其构象的柔性和刚性之间的平衡。
硅基基质具有化学惰性、机械强度高和热稳定性好等优良特性而被广泛用于酶固定化。以硅基基质调控生命体活动，解决生物样本冷链，朱伟教授课题组开展了大量工作（Nat. Rev. Bioeng. 2024, 2, 282; ACS Nano 2022, 16, 2164；Nat. Commun. 2022, 13, 6265；J. Am. Chem. Soc. 2021, 143, 17, 6305等）。然而，在单酶尺度下，由于酶表面的化学多样性和异质性，精确调控酶与硅基基质的相互作用非常困难且鲜有报导。
受溶胶-凝胶化学的启发，朱伟教授课题组提出一种新的杂化酶概念 - 硅酶 （silicazyme），其核心在于将具有不同化学性质的硅基前驱体与酶复合，进而在单酶尺度实现结构稳定性-酶活性的精确调控，实现单酶尺度下酶结构强化、活性调控、稳定性提升和功能扩展（图1）。
图1. 上图：可逆多组元硅化过程制备硅酶示意图；下图：硅酶优点阐述，包括酶表面微环境可调节，结构增强提升抗性，通过二氧化硅丰富的化学性质实现酶的功能扩展。
1）酶活性调节能力 - 多组元硅化（TEOS、TEOPS和APTES等）衍生的化学多样性改变了二氧化硅框架与酶之间的相互作用，从而有效调控酶表面微环境，实现酶活性调节，并已成功应用于脂肪酶、葡萄糖氧化酶和细胞色素c，活性分别提高1.95倍、1.26倍和1.43倍（图2）。
图2. a）BCL、GOx和Cyt c蛋白的疏水性分析：横轴表示蛋白质的氨基酸数，纵轴表示疏水性。b）组分调整三角形（CAT）图显示了硅酶的TEOS、TEOPS和APTES摩尔比。在三角形中每个点的二氧化硅前驱体的摩尔比为100%。硅酶的TEOS、TEOPS、APTES比值及相关催化活性CAT曲线图：c）BCL@Si，d）GOx@Si和e）Cyt c@Si。
2）结构增强 - 引入的无机框架不仅可以调控酶的柔性/刚性，提升结构稳定新，还大大增强了酶对外界变化（如温度、还原剂/氧化剂、溶剂和pH）的抵抗能力（图3）。
图3. 在60℃、70℃、还原剂（抗坏血酸）、氧化剂（尿素）、MeOH、pH 4-6等恶劣条件下处理后游离BCL、BCL@Si-1、BCL@Si-2、BCL@Si-3的相对活性。
3）可逆性 - 硅酶只需在HF-NH4F缓冲溶液中简单稀释即可去除硅框架而不影响原有酶的生物活性，实现天然酶和硅酶之间的自由切换。
4）功能的可扩展性 - 二氧化硅框架丰富的化学性质使酶可以从二氧化硅部分实现可控的功能化，避免了酶部分在化学偶联过程中经常发生的酶失活（图4）。
图4. a）底物BNC和NPB的结构模型图：白球为H原子；米色球为C原子；蓝球表示N原子；红球代表O原子；游离BCL、BCL@Si-1、BCL@Si-2和BCL@Si-3分别对NPB和BNC的相对活性。以NPB初始活性为100%计算BNC的相对酶活性。b）硅化与脱硅后BCL@Si-1、BCL@Si-2、BCL@Si-3的Si/S含量比。c）脱硅后各种硅酶的CD谱。d）游离BCL、BCL@Si-FITC、BCL@Si-N3、BCL@Si-Cy3和BCL@Si-PF127的FTIR光谱。e）BCL@Si-FITC、BCL@Si-Cy3和游离BCL酶的UV-Vis光谱。f）BCL@Si-FITC、BCL@Si-Cy3和游离BCL的荧光发射光谱。g）BCL@Si-PF127在甲苯中的温度响应示意图。h）BCL@Si-PF127和游离BCL酶与NPB底物反应后的紫外可见光谱。i）通过温度开关回收甲苯中的BCL@Si-PF127。
硅酶，作为一种新型的杂化酶，由于其同时实现了酶活性-结构稳定性的平衡，其必将在一系列不同应用场景中拓展和强化酶的应用潜力。
以上相关成果以“Multivariate Silicification-Assisted Single Enzyme Structure Augmentation for Improved Enzymatic Activity-Stability Trade-Off”为题发表于《Angewandte Chemie》上，该论文第一作者为华南理工大学生物科学与工程学院博士研究生郑观生，通讯作者为华南理工大学生物科学与工程学院朱伟教授。该研究得到了国家自然科学基金等项目支持。
原文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202406110
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