https://doi.org/10.26434/chemrxiv-2025-4q7p4
요약
- 디자이너 콘덴세이트는 두 가지 다른 촉매 메커니즘을 가집니다: 히스티딘(His)이 포함된 짧은 펩타이드를 기반으로 한 생체분자 콘덴세이트는 LLPS를 통해 형성되며, Zn²⁺ 의존성과 비의존성 두 가지 촉매 메커니즘을 통해 에스터 가수분해 반응을 촉진합니다. Zn²⁺ 의존 메커니즘에서는 금속 이온이 His 잔기와 결합해 물 분자를 활성화시키고, Zn²⁺ 비의존 메커니즘에서는 인접한 His 간의 낮은 장벽 수소 결합(LBHB)이 핵친을 형성해 반응을 유도합니다.
- Zn²⁺ 농도는 상분리와 촉매 활성 모두에 영향을 미칩니다: Zn²⁺는 LLPS를 유도하는 동시에 His와 결합하여 촉매 중심을 형성하지만, 과도한 Zn²⁺ 농도는 오히려 반응속도를 감소시키며, 특정 농도(예: 0.2 mM)에서 최대의 촉매 활성을 나타냅니다. 이는 Zn²⁺와 펩타이드 간의 상호작용이 촉매 구성을 방해할 수 있음을 보여줍니다.
- Zn²⁺ 없이도 콘덴세이트는 높은 촉매 활성을 보입니다: Zn²⁺ 없이 형성된 His 기반 콘덴세이트는 Zn²⁺ 의존 시스템보다도 더 높은 촉매 활성을 보였습니다. 이는 인접한 His 사이의 LBHB가 수소 이온 이동 및 OH⁻ 생성에 관여함으로써 에스터 결합을 효과적으로 절단할 수 있음을 보여줍니다. 그 결과, 촉매 사이클의 속도 결정 단계의 자유에너지 장벽도 더 낮게 측정되었습니다 (14.2 kcal/mol).
- 응축체는 결정 형성을 억제하여 안정성을 증가시킵니다: Zn²⁺ 없이 존재하는 His-rich 펩타이드는 자가응집하면서도 결정(aggregation crystal) 형성을 촉진하는 반면, 콘덴세이트로 존재할 때는 이러한 현상이 억제됩니다. 이는 생체 환경에서 응축체가 반응 효율뿐 아니라 구조적 안정성도 동시에 제공할 수 있음을 시사합니다.
- 이중 경로 촉매 전략은 생체모방 시스템 설계에 유용합니다: 이번 연구는 촉매 중심과 상분리 현상이 서로 영향을 주는 구조-기능 관계를 명확히 하며, 향후 그린 촉매, 생분해 소재, 약물 전달 시스템 등 다양한 응용에 적용 가능한 디자이너 콘덴세이트 기반 바이오촉매의 설계를 위한 기초를 마련하였습니다.
Abstract
Condensates formed via liquid-liquid phase separation provide a chemically versatile environment for catalysis through dynamic molecular interactions. We present designed biomolecular condensates, formed by LLPS of minimalistic histidine-containing peptides, catalyzing ester hydrolysis with two distinct mechanisms. Zn2+-dependent condensates activate a coordinating water molecule at the active site, formed by Zn2+-histidine coordination, enabling nucleophilic attack. In the absence of Zn2+, catalysis is driven by intermolecular low-barrier hydrogen bonds between histidine residues, facilitating nucleophile formation. Combined computational and experimental evidence reveals the molecular basis of these catalytic pathways, demonstrating the functionality of biomolecular condensates in catalysis and nanotechnology. These findings establish a foundation for exploring new mechanisms of metal-free emergent catalysis within complex liquid assemblies, expanding the potential of LLPS-based systems in green chemistry and advanced materials.