Adenylate Kinase Fused to Spidroin as a Catalyst for Decreasing Leakage out of 3D-Bioprinted Hydrogels and for ATP Regeneration

自愈水凝胶 化学 腺苷酸激酶 生物物理学 生物化学 组合化学 高分子化学 生物
作者
Changjun Liu,Yanmin Song,Tianhao Hu,Shan Wang,Ke Yi,Jianjie Wang,Qing Yan,Li’an Wei,Zheyang Zhang,Huimin Li,Yutao Luo,Lei Wu,Dongyi Zhang,Er Meng
出处
期刊:Biomacromolecules [American Chemical Society]
卷期号:24 (4): 1662-1674
标识
DOI:10.1021/acs.biomac.2c01445
摘要

Numerous metabolic reactions and pathways use adenosine 5'-triphosphate (ATP) as an energy source and as a phosphorous or pyrophosphorous donor. Based on three-dimensional (3D)-printing, enzyme immobilization can be used to improve ATP regeneration and operability and reduce cost. However, due to the relatively large mesh size of 3D-bioprinted hydrogels soaked in a reaction solution, the lower-molecular-weight enzymes cannot avoid leaking out of the hydrogels readily. Here, a chimeric adenylate-kinase-spidroin (ADK-RC) is created, with ADK serving as the N-terminal domain. The chimera is capable of self-assembling to form micellar nanoparticles at a higher molecular scale. Although fused to spidroin (RC), ADK-RC remains relatively consistent and exhibits high activity, thermostability, pH stability, and organic solvent tolerance. Considering different surface-to-volume ratios, three shapes of enzyme hydrogels are designed, 3D bioprinted, and measured. In addition, a continuous enzymatic reaction demonstrates that ADK-RC hydrogels have higher specific activity and substrate affinity but a lower reaction rate and catalytic power compared to free enzymes in solution. With ATP regeneration, the ADK and ADK-RC hydrogels significantly increase the production of d-glucose-6-phosphate and obtain an efficient usage frequency. In conclusion, enzymes fused to spidroin might be an efficient strategy for maintaining activity and reducing leakage in 3D-bioprinted hydrogels under mild conditions.
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