酶诱导聚电解质复合物形态转变：聚阳离子链长与酶剂量协同调控固态至液态的动力学过程

《Biomacromolecules》：Enzyme-Induced Transition of the Morphology of Polyelectrolyte Complexes

本研究通过纤维素酶（cellulase）介导的链裂解，系统探究了固态聚电解质复合物（PECs）的结构与力学重塑机制。文章揭示了聚阳离子链长（短链sPDADMAC与长链lPDADMAC）与酶剂量共同调控复合物从固态沉淀向液态材料转变的动力学，并发现了伴随的聚阳离子-酶共凝聚（coacervation）竞争过程。这项工作为利用局部酶活性编程固态PECs的相行为与机械性能提供了新视角。

　　

1. 引言

当带相反电荷的聚电解质在水溶液中混合时，会发生相分离，形成聚电解质复合物（PECs）。PECs的物理状态可以是动态的凝聚相（liquid coacervates），也可以是动力学被捕获的稳定固态沉淀（solid precipitates）。固态PECs因强离子相互作用和较低含水量而结构稳定，适用于需要长期结构完整性和机械稳定性的应用。已有研究表明，盐浓度或温度等外部刺激可以驱动固态沉淀向凝聚相乃至均相溶液转变。然而，这些依赖于整体介质改变的刺激方式，并未直接解决更局部的触发因素如何重组致密相的问题。

选择性降解键和酶已被用于实现PECs的不同响应机制。前人研究主要关注纳米尺度胶束或分散的液体凝聚相，侧重于药物释放或活性调控，而非直接探究单一组分的酶降解如何重组预形成的固态复合物的致密相并改变其粘弹性响应。

本研究旨在探究由聚二甲基二烯丙基氯化铵（PDADMAC）和羧甲基纤维素（CMC）混合物形成的固态复合物，能否通过CMC的酶促裂解在结构和力学上被重塑。我们通过浊度动力学、明场显微镜、ζ-电位和流变学测量，将固态PECs内部的酶促链裂解与耦合的结构和力学转变直接联系起来。

2. 实验部分

2.1. 材料

使用两种链长的PDADMAC：短链（sPDADMAC，平均M_w~8500 g/mol）和长链（lPDADMAC，平均M_w< 100,000 g/mol）。聚阴离子为取代度（DS）0.6、聚合度（DP）1050的CMC。酶为来自黑曲霉（Aspergillus niger）的纤维素酶（cellulase）。所有溶液均在10 mM HEPES缓冲液（pH 7.0）中配制。

2.2. 聚电解质络合

在总聚合物浓度为3 mM（单体基准）的条件下，混合CMC与sPDADMAC或lPDADMAC，形成PECs。根据浊度测量确定最大络合发生的摩尔分数：sPDADMAC/CMC体系在x_PDADMAC= 0.475时达到峰值，lPDADMAC/CMC体系在x_PDADMAC= 0.45时达到峰值。为便于比较链长效应，后续实验均固定起始组成为x_PDADMAC= 0.475。

2.3. 纤维素酶诱导的相转变

在预形成的PDADMAC/CMC复合物中加入不同浓度（0至0.8 mM）的纤维素酶，研究酶浓度对固态到液相转变的影响。

2.4. 浊度测量

使用酶标仪在562 nm波长下测量浊度，以监测复合物形成及酶诱导转变的动力学。

2.5. 明场显微镜

使用光学显微镜观察PDADMAC/CMC复合物在酶添加前后的形态变化，并进行延时成像。

2.6. ζ-电位测量

使用Zetasizer Nano ZS仪器测量ζ-电位，以评估纤维素酶浓度如何改变PDADMAC/纤维素酶及PDADMAC/CMC混合物的表面电荷。

2.7. 流变学测量

使用旋转流变仪进行频率扫描测试（应变振幅1%），在酶添加后2、24和72小时测量样品的线性粘弹性（储能模量G′和损耗模量G″），以监测酶和时间依赖的力学行为变化。

3. 结果与讨论

3.1. 聚电解质络合

在pH 7.0条件下，PDADMAC（强聚阳离子）与CMC（弱聚阴离子）形成复合物。浊度测量显示，sPDADMAC和lPDADMAC体系分别在x_PDADMAC= 0.475和0.45时达到最大浊度，表明此时络合程度最高。显微镜观察证实，在最佳组成附近，两种体系均表现为固态沉淀而非液体凝聚相。

3.2. 纤维素酶诱导的相转变

3.2.1. 浊度与明场显微镜

纤维素酶通过结合CMC的催化位点并切割β-1,4-糖苷键来降解CMC，从而削弱稳定固态复合物的离子相互作用。

• •
  sPDADMAC/CMC体系：添加纤维素酶后，浊度随时间单调下降，表明复合物逐渐软化并向液态转变。明场显微镜显示，初始致密沉淀物随时间逐渐润湿并铺展，表现出类液体行为。在高酶浓度（0.8 mM）下，沉淀物在30分钟内变圆并破裂。
• •
  lPDADMAC/CMC体系：在低酶浓度下，浊度逐渐下降。但在中高酶浓度（0.4和0.8 mM）下，浊度在早期（约1小时）出现瞬时上升，随后才下降。明场显微镜观察到，该体系在所有酶浓度下均从沉淀物转变为液滴，并且在30分钟后液滴数量迅速增加，形成多分散的群体。

浊度的瞬时上升/平台期无法仅通过浊度测量解释。进一步研究PDADMAC/纤维素酶二元混合物发现，其在0.4-0.8 mM酶浓度下，浊度在最初2小时内上升随后弛豫，表明存在PDADMAC与带负电的纤维素酶之间的静电相互作用，形成了次级共凝聚物。ζ-电位测量支持了这一解释：随着酶浓度增加，PDADMAC/纤维素酶混合物及PDADMAC/CMC复合物的ζ-电位均向更负的值移动，证实了纤维素酶与PDADMAC的结合，并减少了可用于与CMC桥接的自由聚阳离子。

3.2.2. 酶诱导转变的流变学

在没有纤维素酶的情况下，sPDADMAC和lPDADMAC体系在2、24和72小时均表现为固态（G′ > G″），且模量随时间变化不大，表明结构稳定。

添加纤维素酶后，两个体系均随酶浓度和时间的增加而软化（G′和G″下降），表明CMC的链裂解减少了聚阴离子的有效链长，改变了PEC结构内的相互作用。

• •
  链长差异：在匹配的酶浓度和孵育时间下，lPDADMAC/CMC体系通常比sPDADMAC/CMC体系保持更高的G′和复数粘度。在72小时，lPDADMAC体系的G′–G″交叉点（crossover）发生在比sPDADMAC体系更低的频率，表明长链体系在软化过程中保持了更长的特征弛豫时间。
  这种差异可能源于以下因素：1) 长PDADMAC链本身具有更长的弛豫时间和可能的链缠结；2) PDADMAC/纤维素酶共凝聚物的形成在lPDADMAC体系中更为显著，这可能降低了PEC内有效的酶可用性，减缓了CMC裂解，并因其更高的粘度贡献而影响了整体粘弹性响应。

4. 结论

本研究表明，最初固态的PDADMAC/CMC复合物可以通过纤维素酶对CMC的酶促裂解被驱动向更类液态的材料转变。CMC的β-1,4-糖苷键断裂削弱了静电相互作用，使复合物从刚性固体弛豫。

聚阳离子链长和酶浓度共同调控这一转变过程。sPDADMAC/CMC体系在加酶后浊度总体下降。而lPDADMAC/CMC体系在中高酶浓度下表现出浊度瞬时上升，这源于PDADMAC/纤维素酶共凝聚物的竞争性形成，该过程会暂时增加光散射并可能将聚阳离子从原始复合物中重新分配。

流变学测量定量揭示了伴随的力学响应变化：加酶后，两个体系的G′和G″均下降，向更类液体的行为移动。lPDADMAC复合物在匹配条件下保持更高的模量和更慢的弛豫。

综上所述，酶不仅是催化触发器，也是带电荷的大分子组分，能够重塑PEC的相行为。这项研究为利用局部酶活性编程固态PECs的改造提供了一种微观尺度的方法，超越了传统的整体刺激。