分享一篇近期发表在J. Am. Chem. Soc.上的文章，题目为Mechanotransducing Hydrogel for Switching Enzyme Reactions through Modulation of Multivalent Salt-Bridge Interactions。文章的通讯作者是来自香港大学的Kou Okuro教授。
机械响应材料可以将机械力转换为不同的输出形式，在材料科学、生物医学等领域具有广泛的应用。酶反应是一种有效的机械响应输出形式，可以在温和的条件下实现高效的化学转化。目前，实现材料内部酶反应的机械转导需要借助基因或化学修饰将酶共价固定在聚合物上，但是这会不可逆转地限制酶的功能，因此需要开发基于非共价结合的机械力切换酶反应的策略。
本文中，作者开发了一种含有胍基（Gu）的聚合物水凝胶平台（Gu-gel），并制备了含有β-半乳糖苷酶和凝血酶的水凝胶（BGGu-gel和TBGu-gel）（图1）。这种水凝胶可以通过调节凝胶网络中的聚合物抑制剂与凝胶基质中的酶之间的非共价结合，实现酶反应的机械转导。在Gu-gel中，Gu聚合物片段中的Gu+离子自适应地与酶表面不规则分布的CO2−基团通过多价盐桥相互作用结合，有效地抑制凝胶基质中的酶。当对Gu-gel进行压缩时，由于构象限制，Gu聚合物片段对酶的亲和力降低，从而将酶释放并用于酶反应。而在去除机械力时，Gu聚合物片段又可以重新与酶结合（图2）。
首先，作者研究了机械应力对β-半乳糖苷酶的水解反应的影响。β-半乳糖苷酶可以催化邻硝基苯基-β-半乳糖苷（ONPG）的水解，生成的邻硝基苯酚在420 nm处有吸收峰。作者制备了含有ONPG的BGGu-gel（BGGu-gel⊃ONPG），发现在没有施加机械应力时，BGGu-gel⊃ONPG在420 nm处的吸光度（Abs420）在24 h后没有表现出明显的变化。而在50%应变的压缩下，BGGu-gel⊃ONPG的Abs420值在24 h后显著增加。当在12 h去除机械应力时，Abs420的变化趋于平稳（图3a、b）。这表明机械应力以可逆的方式激活了BGGu-gel中的β-半乳糖苷酶。他们还发现β-半乳糖苷酶在BGGu-gel中的激活取决于施加应变的大小（图3c），这种应变依赖性表明凝胶可以发生选择性机械响应。BGGu-gel⊃ONPG的循环压缩实验表明BGGu-gel中β-半乳糖苷酶反应的切换可以重复至少5次，并且凝胶的机械响应性没有明显下降（图3d）。当BGGu-gel⊃ONPG的一部分受到压缩时，施加应力的部分在24 h后呈现邻硝基苯酚的淡黄色，而其余部分基本保持无色（图3e），表明β-半乳糖苷酶的反应可以选择性地在BGGu-gel的施加应力部分中发生。图3. 机械应力对β-半乳糖苷酶反应机械变色的影响 接着，作者研究了机械应力对凝血酶和纤维蛋白原（FIB）的反应的影响。凝血酶可以将纤维蛋白原裂解为纤维蛋白，自发形成纤维蛋白凝胶网络。他们制备了含有FIB的TBGu-gel（TBGu-gel⊃FIB），发现在50%应变压缩3 h后，其机械强度比压缩前提高了5.3倍（图4a、b）。相比之下，在其他条件相同的情况下制备的不含纤维蛋白原（TBGu-gel）、不含凝血酶（Gu-gel⊃FIB）、不含凝血酶和纤维蛋白原（Gu-gel）的参比水凝胶在压缩3 h后机械强度的变化可以忽略不计（图4c）。这些结果表明，TBGu-gel⊃FIB机械强度的增强是由于凝血酶反应产生了新的纤维蛋白凝胶网络。在没有压缩的情况下，TBGu-gel⊃FIB的机械强度在3 h内几乎没有变化，而在停止压缩后，TBGu-gel⊃FIB的机械强度没有进一步增加（图4d），说明TBGu-gel⊃FIB中的凝血酶反应只有在凝胶处于机械应力下才会发生。共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）和扫描电镜（SEM）的图像显示，与没有压缩的凝胶相比，压缩3 h后的TBGu-gel⊃FIB显示出纤维网状的多孔结构（图5），进一步说明机械应力诱导形成了新的凝胶网络。图4. 机械应力对TBGu-gel⊃FIB机械强度的影响图5. TBGu-gel⊃FIB的CLSM和SEM图像 最后，作者研究了Gu-gel的细胞毒性（图6）。实验结果表明，Gu-gel提取物对HeLa细胞没有明显的细胞毒性，证明这种凝胶在生物学应用方面具有潜力。 综上所述，作者开发了一种用于酶反应的机械转导的新型水凝胶平台（Gu-gel）。在凝胶网络中，酶和抑制性Gu聚合物之间的非共价、多价盐桥相互作用实现了酶反应的切换，而不需要对酶进行基因工程或化学修饰。这种机械响应材料有望用于人工组织、药物控释等领域。DOI: 10.1021/jacs.4c04344Link: https://doi.org/10.1021/jacs.4c04344
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