《Advanced Science》：Mechanozyme: An Artificial Enzyme With a Mechanophore Framework
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如何通过机械力精准调控人工酶的催化活性，是合成生物学与纳米催化领域的一大挑战。本研究发现，基于G-四链体（G-quadruplex, GQ）-血红素（hemin）复合物的人工DNAzyme具有类似天然酶的“边际稳定性”，其催化效率与结构稳定性呈负相关。通过磁镊-高倾斜层状光片（MT-HILO）单分子技术与超声机械力调控，证实外力可显著增强此类“机械酶”的催化活性，其优化后效率超越了已知的天然与人工过氧化物酶。该研究首次在人工酶中确立了边际稳定性原则，为通过力学手段设计高性能、可调控的催化系统开辟了新途径。
在生物化学的世界里，酶是高效、专一的催化剂。天然酶的结构通常精巧而复杂，其中许多酶展现出一个有趣的现象：结构稳定性与催化活性之间似乎存在一种“此消彼长”的关系，即稳定性稍低的酶，其活性反而可能更高。这一特性被称为“边际稳定性”，它有助于酶通过灵活的构象变化来适配反应过渡态，从而降低活化能。然而，天然酶的结构复杂性也带来了调控难题，其活性位点只是庞大结构中的一小部分，难以实现精准、可逆的调控。那么，结构更为简单的人工酶，是否也遵循这一“边际稳定性”原则？能否找到一个普适性的物理手段，像调节旋钮一样，实时、可逆地调控其活性呢？
传统上，人们通过改变温度、pH或添加化学配体来调控酶活性，但这些方法往往带来非特异性干扰。相比之下，机械力作为一种通用且方向性强的物理刺激，为调控生物大分子的结构与功能提供了独特潜力。近年来，具有力学敏感特性的“机械力响应基团”（mechanophore）在材料科学中备受关注，但将其与催化活性中心结合，构建一种能响应机械力调控的“机械酶”，仍是未开发的领域。这项发表在《Advanced Science》上的研究，首次在基于G-四链体-血红素（GQ-hemin）的人工DNAzyme中证实了“边际稳定性”原则，并通过施加可控的机械力，成功创造并调控了具有超高催化活性的“机械酶”（mechanozyme），为理性设计可受外力调控的催化系统提供了全新范式。
为探索这一前沿问题，研究人员综合运用了多种关键技术。首先，他们通过序列设计构建了具有不同热稳定性的人端粒G-四链体（G-quadruplex, GQ）突变体，并利用紫外熔解实验表征其稳定性差异。随后，通过体相荧光动力学实验，测量了这些GQ-血红素（GQ-hemin）复合物的催化活性。在单分子层面，研究采用了高灵敏度的磁镊耦合高倾斜层状光片（Magnetic Tweezers coupled with Highly Inclined and Laminated Optical sheet, MT-HILO）显微技术，在实时施加可控拉伸力的同时，原位观测单个DNAzyme的催化反应事件，从而精确建立了机械力与催化活性的定量关系。最后，为了将机械调控拓展至宏观应用水平，研究引入了超声处理技术，对大量GQ-hemin复合物同时施加声机械力，并通过荧光光谱监测其整体催化活性的变化。
2.1 人工酶活性与稳定性的负相关关系在体相实验中得到验证
研究人员设计了人端粒G-四链体（WT Tel-4G）及其多个突变体（GQ-11A、GQ-11C、GQ-11T、GQ-11oxoG），它们与血红素结合形成DNAzyme。通过测量其熔解温度和催化反应的初始速度，发现催化活性与热稳定性呈显著负相关（皮尔逊相关系数r= -0.96）。其中，稳定性最低的GQ-11A突变体活性最高，而最稳定的野生型活性最低。这首次在体相层面证实，人工DNAzyme同样遵循天然酶中的“边际稳定性”原则，即较低的稳定性与较高的催化活性相关。
2.2 单分子水平证实DNAzyme的边际稳定性原则
为精确验证这一关系，研究在单分子水平上展开了实验。他们构建了单分子磁镊系统，将WT Tel-4G GQ-hemin和稳定性更低的GQ-11oxoG-hemin DNAzyme固定在基板和磁珠之间。通过荧光检测单个酶分子催化非荧光底物Amplex Red（AR）转化为荧光产物resorufin（RF）的过程，测得反应速率常数。结果表明，稳定性较差的GQ-11oxoG-hemin的催化效率是WT Tel-4G GQ-hemin的13倍，达到了已知DNAzyme中极高的水平。这直接在单分子层面证实，更低的结构稳定性确实带来了更高的催化活性。
2.3 机械力调控单个DNAzyme的催化活性
既然稳定性与活性相关，而机械力可以可逆地改变结构稳定性，研究人员进一步探究了机械力对催化活性的直接调控。通过对单个WT Tel-4G GQ-hemin DNAzyme施加不同大小的拉伸力，发现其活性随力增加先升高后降低，在约15 pN时达到峰值。而对于稳定性本就更低的GQ-11oxoG-hemin，其活性则随力的增加而持续下降。这一现象被统一模型所解释：在较低力下，机械力削弱G-四链体结构，增强了活性；但当力超过一定阈值导致结构严重破坏，血红素结合不稳定，活性则下降。这证明，可以通过精确施加机械力，将DNAzyme转化为活性可被“力”调控的“机械酶”。
2.4 超声机械力调控大规模机械酶集合
单分子技术通量低，难以实际应用。为此，研究采用超声波对宏观溶液中的大量GQ-11C-hemin DNAzyme施加声机械力。结果发现，催化活性随超声功率增加先升高后降低，在8.70 mW/cm2时达到最优。进一步的稳定性测量证实，超声处理确实降低了G-四链体的熔解温度。在最优超声功率下，该“机械酶”的催化效率达到约9.73 s?1μM?1，超过了目前所有已知的天然或合成过氧化物酶，创造了催化效率的新纪录。
本研究首次在G-四链体-血红素（GQ-hemin）人工DNAzyme中确凿无疑地证实了“边际稳定性”原则。更重要的是，研究揭示了机械力作为一种普适性环境因素，能够可逆、精细地调控此类人工酶的催化活性，从而提出了“机械酶”这一全新概念。通过单分子力谱技术和宏观超声技术，分别实现了对单个酶分子和大量酶集合的活性增强。特别是通过超声优化，获得了超越已知最高水平天然酶和人工酶的催化效率。这一工作不仅为理解酶结构与功能关系提供了新视角，更重要的是，它展示了一种全新的酶活性调控范式——即通过物理力场而非化学环境来精准操控催化过程。这为开发新一代可响应机械刺激的高性能生物传感器、智能催化剂，以及在生物医学、化学合成等领域的应用开辟了广阔前景。
