天然酶是卓越的分子机器，能够实现各种重要的生化反应。几十年来，科学家们一直致力于合成此类催化剂，用于工业和生物医学应用。然而，他们始终难以达到自然界的效率和简便性。这反过来又阻碍了可持续化学领域环保催化剂的开发。

制造人工酶通常需要辅因子或复杂的结构排列，以便精确定位反应基团在三维空间中的位置。这些要求限制了设计的灵活性，常常导致酶的性能不如天然酶。寻找更简单且不牺牲催化能力的方法一直是生物催化领域难以实现的目标。

在此背景下，由日本东京科学研究所的上野隆文教授领导的研究团队报道了一种利用蛋白质纳米笼设计酶的新方法。他们的论文于2025年4月24日发表在《应用化学》杂志上，展示了铁蛋白笼内精确排列的组氨酸氨基酸如何发挥高效无金属过氧化物酶的作用——这种酶能够利用过氧化氢作为反应物来驱动氧化反应。

研究人员通过引入组氨酸残基和一系列靶向突变，对铁蛋白笼进行了改造。他们利用铁蛋白自组装成蛋白笼的能力，在笼的内表面上构建了组氨酸残基簇。这些组氨酸簇充当催化中心，模拟过氧化物酶活性，促进过氧化氢与3,3', 5,5'-四甲基联苯胺底物之间的反应。

“与传统的寡组氨酸组装相比，工程化的铁蛋白变体的反应效率大约高出 80 倍，”Ueno 教授评论道。

该团队的创新方法表明，简单氨基酸的合理空间排列可以消除某些酶促反应中对金属辅因子的需求。通过精心将这些氨基酸定位在铁蛋白笼的界面上，该团队创造了一个受限的反应环境，显著增强了催化活性。

他们利用分子动力学模拟揭示了铁蛋白笼如何将反应物限制在靠近组氨酸簇的位置，从而解释了催化效率的显著提高。

“根据理论计算，我们确认，蛋白质笼内的‘受限环境效应’进一步增强了这种高活性，这种效应可以集中反应物并促进它们的相互作用，”上野教授说。

这些激动人心的发现为非金属催化体系中的蛋白质笼开辟了新的可能性，有望应用于可持续化学生产、生物材料开发和环境修复。“这项研究代表了人工酶设计和环境友好型催化的重大进展，为可持续生物催化剂的开发铺平了道路。”上野教授总结道。

在不久的将来，该领域的进一步研究有望催生高性能的仿生催化剂。通过改进催化残基的空间设计并探索其他自组装蛋白质框架，研究人员有望开发出更广泛的无金属酶，以满足特定的工业或生物医学任务的需求。

这些进步不仅可以提高催化效率，还可以减少对稀有或有毒金属的依赖，使绿色化学更易于在各个领域的实际应用中使用。