https://doi.org/10.26434/chemrxiv-2025-4q7p4
요약
- LLPS 기반 condensate 촉매 개발: 저자들은 액-액 상분리(liquid-liquid phase separation, LLPS)를 통해 형성된 biomolecular condensate를 화학 반응의 촉매 환경으로 활용하는 방법을 제시하였습니다. 이 condensate는 분자 간 동적 상호작용을 통해 촉매 반응을 수행할 수 있는 유연한 환경을 제공합니다.
- 히스티딘 기반 펩타이드로 설계된 condensate: 히스티딘(hisidine)을 포함하는 미니멀리즘 펩타이드를 이용하여 condensate를 설계하였고, 이를 통해 에스터 가수분해 반응을 촉매할 수 있는 시스템을 구축하였습니다.
- Zn²⁺ 존재 여부에 따른 이중 촉매 메커니즘: Zn²⁺ 이온이 존재할 경우, 히스티딘 잔기와 배위 결합(coordination)을 형성하여 활성화 부위에서 물 분자의 친핵성 공격(nucleophilic attack)을 촉진합니다. 반면, Zn²⁺ 이온이 없는 경우, condensate 내 수소 결합 네트워크가 반응을 촉진하며, 이는 **저장벽 수소 결합(low-barrier hydrogen bonds)**에 의해 강화됩니다.
- 촉매 메커니즘 전환 가능성: Zn²⁺ 이온의 존재 여부에 따라 촉매 메커니즘을 전환할 수 있는 시스템을 구현하였으며, 이를 통해 다양한 조건에서 촉매 반응을 정밀하게 조절할 수 있는 가능성을 입증하였습니다.
- 생명공학 및 합성 생물학에서의 응용 가능성: 본 연구는 biomolecular condensate가 화학적 촉매 반응에 활용될 수 있음을 보여주었으며, 이는 향후 생명공학 및 합성 생물학 분야에서 새로운 촉매 시스템으로 응용될 수 있습니다.
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.