高度特异性和高活性的酶催化反应在生命活动、化学合成、分析检测、以及环境修复中发挥着关键作用。为了拓展酶的应用潜力，人们通过酶固定化或酶工程等方法做出了许多努力来改善酶的性能。例如，使用纳米支架（如金属/共价/氢键有机框架和 DNA 纳米结构）紧密限制天然酶，已显示出增强其可回收性、再利用性和活性的潜力。另外，酶工程允许对新的活性位点、氨基酸残基等进行合理设计和/或定向进化，以调节酶 - 底物相互作用，并提高催化活性和选择性。然而，这些分子工程技术在设计功能性酶时需要大量的计算和实验工作。因此，以简单的方式提高酶催化的选择性仍然是一个巨大的挑战。
近年来，静电催化的概念已被提出，并在许多酶中从理论和实验上进行了探索。对于这些酶，由偶极和电荷引起的静电预组织可以创建一个定向的局部电场来促进反应。发现电场的大小与酶的催化速率增强相关，并且可以通过振动斯塔克效应光谱学进行实验测量。更有趣的是，通过调节静电环境可以有效地调节控制酶促反应活性和选择性的酶内固有电场。同时，人们致力于利用电场来催化和操纵酶以外的化学反应。由扫描隧道显微镜、电化学电池和其他方式产生的外部电场已被探索用于通过诱导键的离子性和偶极取向来操纵化学反应，旨在以可调的方式改变反应性和选择性。因此，原则上，定向的外部电场可用于催化和操纵酶促反应，但这种可能性尚未得到探索。此外，由于酶的内部电场高达 107 V cm–1，需要能够产生超高电场的简单策略。
最近，作为驱动在本体溶液中不发生的各种化学反应的独特反应器的微滴已在合成和大气化学中得到了广泛的探索。特别是，水性微滴能够实现非生物合成肽、核糖核苷和磷脂，这是生命化学起源被认可的先决条件。对于这些现象，一个令人信服的论点是在微滴界面自发形成的超高电场，它可以调节自发化学反应的热力学和动力学，并对反应化学做出重大贡献。此外，在微滴内部，无论是在纯水中还是在盐溶液中，都存在强烈的径向离子梯度，这可以进一步诱导径向电场梯度。尽管微滴中产生的电场深度尚未以确定的方式表征，但以前的研究表明，双层电场可能延伸到微滴体积的约一半，并且电场从微滴内部到界面逐渐增加。因此，带电的生物分子如 DNA 可以从微滴内部重新定位到表面。鉴于上述微滴的独特性质，特别是微滴表面的超高电场，人们可以利用微滴来操纵和改善酶的催化性能。然而，到目前为止，只有少数工作证实微滴在改善蛋白质酶消化方面具有优越性。微滴作为酶催化反应的反应器的作用机制，特别是通过水微滴上的电场对选择性的调节，尚未得到探索或实验测量。
在此，我们利用高电场探索微滴中的酶催化反应，并首次发现微滴可以增强酶催化反应的反应途径和底物选择性。过氧化物酶能够催化大多数氧化还原反应，在生物技术及相关研究领域占据突出地位，并广泛应用于各个领域。作为一个模型案例，研究了在微滴中 HRP/H2O2 介导的经典底物 TMB 氧化的“选择性”，这是指不同反应途径之间的区分。此外，还检测了 HRP 催化的微滴中 4 - 甲氧基苯酚（MEHQ）对吩恶嗪（POA）和吩噻嗪（PTA）的 C - N 加成反应的底物选择性。![]()
相关成果以“Enhanced Selectivity in Microdroplet-Mediated Enzyme Catalysis”，发表在国际学术期刊“JACS”上。
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https://doi.org/10.1021/jacs.4c06171
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