分享一篇近期发表在Biomacromolecules上的文章，题为Tuning Polymer Composition Leads to Activity−Stability Tradeoff in Enzyme-Polymer Conjugates。文章的通讯作者是来自科罗拉多州立大学的Daniel K. Schwartz教授以及Joel L. Kaar教授。

    使用聚合物修饰蛋白质的一大目标即为在非天然环境中稳定酶，同时保持或增强酶的活性。酶-高分子偶联物的活性与稳定性受到许多因素的影响，例如酶-聚合物间的相互作用以及聚合物-聚合物间的相互作用等。例如，酶-聚合物间的相互作用可能影响酶本身的溶解度和稳定性，还可能影响底物的结合过程。而聚合物-聚合物相互作用对酶所产生的影响相对研究较少。部分已有的研究成果表明，两性离子能够显著改变水合层，聚合物间的相互作用可能形成能够影响蛋白质性质的纳米环境。

    另一方面，相比于均聚物的修饰，共聚物可能提供与酶表面异质性最为相符的优化作用。因此在本文中，作者以假丝酵母脂肪酶（CRL）为模型蛋白，制备一系列酶-无规共聚物的偶联物，评估聚合物-聚合物相互作用对偶联物稳定性与活性的影响。

    如图1所示，首先通过ATRP聚合，从CRL脂肪酶表面生长含不同比例甲基丙烯酸磺基甜菜碱SBMA 以及甲基丙烯酸寡聚乙二醇酯PEGMA的无规共聚物。通过凝胶电泳的结果表明偶联物的成功制备。同时，对同样单体比例下的制备的聚合物进行核磁表征，估算偶联物中共聚物的分子量。

图1. 脂肪酶-共聚物偶联物制备示意图

    为评估高温下的长期稳定性，作者在45℃下孵育偶联物，并在不同的时间点测定酶活保留。如图2左所示，0% PEGMA修饰保持了最高的相对活性，且所有修饰后的酶都更加稳定，SBMA的修饰最为稳定。另外，通过测定不同温度下酶催化的初始速率，作者对修饰后活性进行评价。如图2右，最适温度在60℃左右，高比例PEGMA修饰的活性普遍更高，但相较于未修饰的酶仍有所降低。

图2. 不同偶联物的热稳定性与修饰后活性

    高温下活性保持与修饰后活性的相反趋势反映出聚合物修饰介导的活性-稳定性平衡。以聚合物组成作为横坐标，稳定性与活性变化的相反趋势更加明显（图3左）。另外，为了进一步证明这一平衡所带来的的实际效果，作者对图2左中活性随时间的推移进行积分，计算总产率。从图3右可以看出，产率随聚合物组成的变化不是单调的，最高产的偶联物由接近50%的共聚物组成，两种均聚偶联物的产量都较低。这可能是由于100%PEGMA偶联物活性降低迅速以及0%PEGMA偶联物本身活性较低有关。总之这一结果直观反映出活性与稳定性的平衡，以及这一平衡如何协同作用影响酶的生产力。

图3. 不同单体比例偶联物表现出活性-稳定性平衡

    作者猜想高比例SBMA修饰表现出的稳定性增强与活性降低与两性离子聚合物间电荷相互作用导致的自缔合作用相关，如图4左所示，这一作用带来的一定“刚性”可能赋予酶更强的抵抗构象变化的能力，但也可能限制了酶高活性所需的结构灵活性。因此为探究这一效应，作者向偶联物溶液中添加250 mM氯化钠观察酶稳定性的变化。如图4右所示，与0  mM氯化钠的45℃下的半衰期相比，0%与25%PEGMA的偶联物稳定性表现出最大程度的降低。增加离子强度对未修饰酶的稳定性没有影响，表明不是酶本身稳定性受到了高离子强度的影响。

图4. 离子强度对聚合物稳定性的影响

    综上，本文中作者通过制备一系列不同聚合物组成的脂肪酶-共聚物偶联物，观察到了聚合物修饰带来的活性-稳定性平衡。其中聚合物-聚合物的相互作用在其中表现出了重要的作用。利用以上获得的信息，就能够调整聚合单体的比例优化酶的产率以及整体生产力。

作者：ZRC  审校：SYM

DOI: 10.1021/acs.biomac.3c00396

Link: https://doi.org/10.1021/acs.biomac.3c00396