ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド（NAD）の持続可能な再生のための細胞抗酸化防御システムの模倣

酸化ストレス下での酵素の長期使用は、効果的な酵素反応経路を可能にする上での大きな課題です。ここでは、スーパーオキシドを介した酸化に対する酵素の適切な保護を提供できる生体模倣抗酸化防御戦略を報告します。スーパーオキシドジスムターゼ（SOD）とカタラーゼ（CAT）をスカベンジャーとして選択し、シリカナノリアクターに共有結合して、グルコースデヒドロゲナーゼ（GDH）とともにカプセル化し、同時にコエンザイムニコチンアミドアデニンジニウムチド（NADH）を生成するはずです。SODとCATの酵素反応により、シリカナノリアクターの内部は、コンスカプセル化GDHのグルコース依存性NADH産生を保護するための「ROSセーフゾーン」になります。さらに、この保護されたNADH生産モジュールと、NADHの光引き付けられた酸化をNAD+（酸化型）に可能にする光触媒ナノ粒子を組み合わせました。組み合わせて、これらの2つのモジュールは、グルコースの添加または光照射（LEDランプまたは日光）の添加により、NAD+とNADHの間の相互変換を可能にします。この保護および再生戦略は、脆弱な生体分子を含み、コエンザイムNAD+/NADHに依存する人工オルガネラまたはビルディングブロックの生物学的反応器、触媒、またはプロトタイプの酵素用途向けの汎用ツールです。

The prolonged use of enzymes under oxidative stress is a major challenge in enabling effective enzymatic reaction pathways. Herein, we report a biomimetic antioxidant defensive strategy capable of providing adequate protection of enzymes against superoxide-mediated oxidation. Superoxide dismutase (SOD) and catalase (CAT) were chosen as scavengers and covalently encapsulated into silica nanoreactors, together with glucose dehydrogenase (GDH), which simultaneously should produce the coenzyme nicotinamide adenine dinucleotide (NADH, reduced form). By the enzymatic reactions of SOD and CAT, the interior of silica nanoreactors becomes a "ROS safe zone" to protect the glucose-dependent NADH production of coencapsulated GDH. We further combined this protected NADH-producing module with photocatalytic nanoparticles that enable the light-triggered oxidation of NADH back to NAD+ (oxidized form). In combination, these two modules allow interconversion between NAD+ and NADH by the addition of glucose or by light irradiation (LED lamp or sunlight). This protection and regeneration strategy is a versatile tool for enzyme applications for biological reactors, catalysis, or prototypes of artificial organelles or building blocks that contains fragile biomolecules and rely on the coenzyme NAD+/NADH.