Biocatalytic cascades operating on macromolecular scaffolds and in confined environments

高分子 超分子化学 合成生物学 人工细胞 DNA折纸 生物催化 化学 纳米技术 生物物理学 材料科学 计算生物学 生物 生物化学 催化作用 纳米结构 离子液体 分子 有机化学
作者
Margarita Vázquez‐González,Chen Wang,Itamar Willner
出处
期刊:Nature Catalysis [Nature Portfolio]
卷期号:3 (3): 256-273 被引量:247
标识
DOI:10.1038/s41929-020-0433-1
摘要

Biocatalytic cascades guide complex, efficient and selective intracellular transformations. These unique features originate from the spatial organization of the biocatalysts in confined cellular environments that allow the directional channelling of reaction intermediates across the cells. Here we address efforts directed towards the development of synthetic cell analogues and supramolecular ensembles acting as nano/microenvironments for operating biocatalytic cascades. Multienzyme systems are integrated within metal–organic frameworks, polymersomes, lipid-stabilized microdroplets and hydrogel microparticles acting as cell-like containments. Also, multienzyme systems are spatially positioned on one-dimensional DNA wires, two-dimensional DNA strips or origami tiles, and three-dimensional DNA origami bundles or cages, and specific protein–protein interactions or peptide–protein complexes provide versatile scaffolds for engineering enzyme assemblies. Biocatalytic cascades operating on these scaffolds or in confined nano/microenvironments reveal substantially enhanced reaction yields compared with the analogous diffusional mixtures of the biocomponents. Mechanistic pathways accounting for the enhanced biocatalytic activities and future challenges in developing and applying biocatalytic cascades are presented. Spatial organization of biocatalytic cascades can improve their performance. In this Review Article, Itamar Willner and colleagues discuss technologies to artificially confine and localize enzyme cascades, the origin of observed rate enhancements and potential applications of such designed systems.
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