[发明专利]人工酶

说明书

技术领域

本发明涉及酶的合成，且特别地涉及包括有机聚合物和具有生物催化功能性(functionality)的活性部位的人工酶的合成。

背景技术

本发明涉及在2008年2月28日递交的美国临时申请61/032118，在此通过引用并入。

酶是由已折叠成特定的形状的多肽的一条或多条链组成的大的构象复杂的结构，其结果是生物化学催化剂。为了营养、结构和其他目的，生命系统需要使用宽范围的小到中等尺寸分子，并且较小分子通常仅可作为必须被分解的较大分子的聚合形式获得。为了产生存活的能量，多糖、大蛋白质和长链脂肪酸是碳、其他必需元素和还原电势最普遍的来源。因此，最重要的酶的种类之一是实施分解代谢功能的酶，即，将较大分子分解成较小单元。催化这些大分子分解的分解代谢酶大部分是水解酶，因为它们促进水分子在天然聚合物的一个或多个单体之间的插入。图1显示通过溶菌酶的羧基功能解聚肽聚糖的机理。参见D.J.Vocadlo等人，Nature 412，835(2001)。

迄今在精确地模拟生物过程的人工系统的开发中的许多限制之一是实施与天然发生的酶相似功能的模拟酶的开发。特定的需求是被称作糖苷水解酶的水解酶的子集(subset)的模拟(mimetization)，糖苷水解酶是催化多糖或基于糖的单体长链的分解的酶。大部分的这些酶在活性部位或“催化裂口(catalytic cleft)”实施至少一些它们的催化活性，即，结合、解聚和释放。后一个术语是由于活性部位形成的构象而使用的，如通过X-射线晶体学、核磁共振(NMR)和高速计算机模型所预测的。简单来说，活性部位表现为适当地描述为延伸的沟(trough)、嘴或开口袋的形状的一些变型。在一些酶中，活性部位完全是封闭的，即，活性部位是隧道或凹陷的形状。在大部分情况下，包含活性部位的区域形成至少半封闭的体积，在该体积中，多糖底物可按顺序：(i)暂时地结合；(ii)变为暴露于催化氨基酸残基和主链结构，且然后(iii)作为催化产物离开。在任何情况下，催化部位或催化裂口确定在构象上特定的和在化学上独特的结构，在糖苷水解酶的情况下，这样的结构非常适合多糖的分解。图2A和图2B显示示例性的活性部位。图2A显示己糖激酶的空间填充模型[Heriot-WattUniversity，Scotland]。图2B显示在羧肽酶A的活性部位中的关键残基和金属离子辅因子(有颜色的)[Dept.of Chemistry，Washington University]。

除活性部位之外，酶的剩余部分通常由多个结构亚基组成，结构亚基通常是多个在结构上折叠的线性多肽链。在大部分情况下，蛋白质复合物的这个“非-催化”部分占复合物总质量、氨基酸残基数和所占体积的90％以上。乍看，这个非-催化部分描述非常大比例的专职于与其生物学功能(例如多糖的水解)不直接相关的职责的蛋白质。根据本领域技术人员熟悉的生物化学理论，酶的绝大部分用作结构支架或支持物，目的是指导较小的关键催化部分成为可承担催化的三维(3D)构象，或更直白地说，酶的绝大部分用来将酶的催化部分折叠成活性部位。参见，例如H.S.Taylor，Proc.R.Soc.(London)A108，105(1928)；以及Warshel和Levitt.J.Mol.Biol.103.227(1976)。这个在相对的残基定型(commitment)中的著名的不均衡并不意味着减少酶的非-催化部分在通过示例性的功能支持催化中的作用，例如缓冲底物-引起的形状改变的影响；促进支持催化的构象改变；以及作用稳定反应物和产物之间的过渡状态的基于氧化和/或还原的机理的电子源/电子槽(sink)。