多酶复合物中酶之间的空间和时间排列和组合在代谢调控中非常重要，对多酶体系进行空间、距离和组合的调节可实现对代谢物的高效可编程调控。受自然界的启发，人工蛋白质和DNA支架已被以可控的方式用于共定位酶，以增强代谢反应。然而，这些方法仍然很难实现动态调节。

近年来，可编程DNA纳米技术被广泛应用于酶级联体系并实现了在酶级联动态调控中的应用。例如DNA纳米镊子可以有效地控制双酶之间的距离；基于DNA链置换的酶级联反应实现了活体内酶级联活性的调控，有效地调节了代谢物在活体内合成的效率。然而在更复杂的体内环境中，代谢物的合成和调控并不局限在双酶体系中，多种酶组成的复杂代谢组学调控变的尤其重要，但对多种代谢物动态按需检测目前仍是难题。

近日，上海交通大学宋萍副教授和左小磊教授合作，以可编程DNA纳米技术为基础提出了新型酶级联体系设计策略，构建了DNA和酶的超分子结构（a super DNA-enzymes molecules，SDEM)），实现了多酶催化性能的可编程调控，大大提高了检测灵敏度。

构建的SDEM超分子结构有效地增加了DNA在调控酶级联体系中的可编程性。同时相比于游离的酶，SDEM超分子结构构建的酶级联在对靶标的检测灵敏度和准确性中更具有优势，通过计算模拟和酶级联催化实验得到验证。由葡萄糖氧化酶(GOx)和辣根过氧化物酶(HRP)组成的可编程SDEM的检测限比游离酶低20倍且反应速率提高了1.6倍。

该体系不仅可以实现酶级联体系的循环调控，而且可以通过添加DNA催化链实现SDEM分子的催组装，使得一个SDEM超分子结构被催化成另一个新的SDEM超分子结构。该反应是基于DNA催化的熵驱动反应，该反应简单、快速、可模块化、可组合且稳定。在该反应体系中熵反应的产率与直接退火反应的产率一样高。计算结果表明相比于没有催化链的条件下，DNA催化链介导的熵驱动反应体系中反应速率提高了六个数量级。在低浓度酶的活体环境中，我们的工作为通过现有酶级联体系构建新的酶级联体系提供了一种新的思路，有望实现针对不同代谢物的按需检测。

研究成果

“Programming Super DNA-Enzyme Molecules for On-Demand Enzyme Activity Modulation”近期发表在《Angewandte Chemie International Edition》（2023），论文的第一作者为上海交通大学化学化工学院博士生赵海培，由附属仁济医院分子医学研究院左小磊教授团队和生物医学工程学院宋萍副教授团队合作完成，并在催组装理念与设计上得到了田中群院士和樊春海院士的指导。

Angewandte Chemie International Edition

DOI：doi.org/10.1002/anie.202214450

供稿单位：核酸生物医学工程课题组

作者：赵海培

审核：宋萍、丁显廷