酶固定微纳米材料哪家专业（刘珏文教授课题组纳米酶方向的工作进展）

酶固定微纳米材料哪家专业（刘珏文教授课题组纳米酶方向的工作进展）赋予纳米酶选择性02提高纳米酶的活性纳米酶的催化活性位点主要位于其表面，因而表界面的微观环境对其活性有很大影响。作者以具有氧化酶活性的纳米氧化铈（CeO2）为模型，系统地研究了阴离子吸附对其催化性能的影响。研究者发现氟离子（F-）可取代CeO2表面的羟基（图1A），同Ce形成配位键，从而提高近100倍的催化活性5。这种增强效应同时适用于ABTS和TMB两种带有不同电荷底物的催化过程（图1B-C）。进一步的机理研究表明，F-的吸附会从多个方面影响CeO2的结构、性质以及同底物的结合能力。首先，F-减少了产物在纳米酶界面的非特异性吸附，从而加速了反应物－产物在催化界面的循环过程（图1D）。其次，XPS结果表明F-修饰的CeO2具有更高浓度的Ce(III)，而更高的Ce(III)/Ce(IV)比值意味着氧空位浓度更高（图1E）。最后，电化学结果证实了F-修饰可显著提高CeO2纳米酶的电子转移速率

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*本文首发于“纳米酶Nanozymes”公众号，2020年6月6日

纳米酶是具有类酶活性的纳米材料。由于具有制备简单、成本低和稳定性高等性质，使其在生物分析、环境检测以及生物医学等领域展现出独特的优势。作为类酶家族的新成员，纳米酶的研究方兴未艾1 2 3 。然而，纳米酶与天然酶在活性、选择性、反应条件和反应类型上还有较大差距4。加拿大滑铁卢大学刘珏文教授课题组一直以来密切关注纳米酶领域的基础问题。该课题组从表界面化学出发，研究了无机阴离子、小分子化合物、生物大分子以及聚合物等对纳米酶催化性能的影响，并以缩小纳米酶和天然酶的差距为目标，取得了一系列进展。这对加深了解纳米酶的类酶特质，拓展纳米酶的应用等做出了积极的贡献。

01

提高纳米酶的活性

纳米酶的催化活性位点主要位于其表面，因而表界面的微观环境对其活性有很大影响。作者以具有氧化酶活性的纳米氧化铈（CeO2）为模型，系统地研究了阴离子吸附对其催化性能的影响。研究者发现氟离子（F-）可取代CeO2表面的羟基（图1A），同Ce形成配位键，从而提高近100倍的催化活性5。这种增强效应同时适用于ABTS和TMB两种带有不同电荷底物的催化过程（图1B-C）。进一步的机理研究表明，F-的吸附会从多个方面影响CeO2的结构、性质以及同底物的结合能力。首先，F-减少了产物在纳米酶界面的非特异性吸附，从而加速了反应物－产物在催化界面的循环过程（图1D）。其次，XPS结果表明F-修饰的CeO2具有更高浓度的Ce(III)，而更高的Ce(III)/Ce(IV)比值意味着氧空位浓度更高（图1E）。最后，电化学结果证实了F-修饰可显著提高CeO2纳米酶的电子转移速率（图1F）6。

图1. 氟离子的吸附对二氧化铈氧化酶活性的增强效应

02

赋予纳米酶选择性

多数纳米酶缺乏类似蛋白酶的生物识别原件，从而缺乏对底物的选择性，该问题不仅限制了纳米酶的应用，也在一定程度上削弱了其模拟酶的定义。因此，赋予纳米酶底物识别功能尤为重要。作者发现，DNA修饰的四氧化三铁（Fe3O4）过氧化物酶对不同底物具有一定的选择性，可增强带正电的TMB并抑制带负电的ABTS氧化7。然而，仅仅基于电荷的选择性仍不够精细。作者进一步采用分子印迹聚合物技术（Molecularly Imprinted Polymer MIP），在纳米酶表面创造了一个对底物进行特异性识别的环境（图2A）8。仍以Fe3O4为例，得益于MIP的包覆，其对TMB和ABTS均展现出了优异的选择性。与未修饰的Fe3O4相比（图2B），印迹了TMB的Fe3O4显示出对TMB专一的催化活性，而基本无法氧化ABTS，反之亦然（图2C-D）。在最优条件下，其对ABTS的Kcat/Km比值比TMB高出近100倍。除了Fe3O4，MIP同样可用于其他纳米酶包括DNA模拟酶9，并能够进一步用于癌细胞中过氧化氢的检测10。

作者同时发现，MIP不仅赋予纳米酶以选择性，还显著增强了其催化活性。上述带正电的DMPA-MIP@Fe3O4催化氧化ABTS的Kcat/Km值比未修饰的Fe3O4高出了30多倍。进一步研究表明，MIP一方面有富集印迹底物的效果，另一方面由于其对非印迹分子的排斥作用，还能有助于释放氧化产物，从而加速整个催化过程11。

图2. 分子印迹技术赋予纳米酶对催化底物高度的选择性并同时增强催化活性

03

突破纳米酶反应条件的限制

纳米酶的催化活性在很大程度上受到反应条件的限制，而其中pH的影响尤其显著。一方面是因为传统反应底物在中性pH下难以被催化显色，二是因为纳米酶的催化活性还有待提高。目前，纳米酶体系所涉及的催化底物主要有TMB， ABTS，Amplex red，Luminol等。由于TMB和ABTS等底物显色可目视观测，因此它们被广泛应用于纳米酶体系的活性研究。然而两者在中性条件下很难被传统的纳米酶所氧化。基于此，作者利用光激活纳米酶构建了一系列生理条件下的催化体系。前期研究发现，由于光照体系所产生的高氧化活性的单线态氧（1O2），光照碳点能在数秒内将TMB等显色底物氧化12。但这种光氧化酶活性仍不足以使TMB等显示底物在中性条件下显色。为了突破pH的限制，作者构建了两种增强型光激活纳米酶体系13 14。一方面，光照碳点体系产生的1O2与体系中的Mn2 反应产生高氧化活性的Mn3 ，使得TMB等分子在中性条件下被快速氧化（图3A），且不同分子在不同pH中的抗氧化能力具有一定差别。另一方面，由于分子氧与镧系离子能级相似， Ln3 能增强多种光敏剂的1O2 产率，从而增加其迁移距离，即增强其与底物的相互作用（图3B）。此策略将光敏剂与Ln3 进行简单物理共混即可，无需使用复杂化学修饰或合成便可实现多种光敏剂的1O2增强与有效光催化氧化。

图3. 离子诱导增强型光激活纳米酶的生理条件催化体系

04

拓宽纳米酶的反应和应用

作者进一步探索了更多以生物分子为底物的反应可能性。例如，金纳米颗粒（AuNPs）可模拟脱氢酶，将雌二醇（17β-estradiol，E2）氧化为雌激素酮（estrone，E1）15。该反应10分钟可转化约2 mg/mL底物（图4A-B）。此外，作者还发现CeO2可模拟脱氧核糖核酸酶I（DNase I），将长链DNA切短至5-mer，和DNase I产物分布类似（图4C-D）16。机理研究表明，DNA在CeO2表面的吸附是它能够被切割的前提，而切割能力则可能来自于CeO2纳米颗粒表面Ce(III)和Ce(IV) 的共同作用。当DNA被切短至5-mer时，其与CeO2的相互作用变得很弱而无法吸附，反应终止。通过对更多潜在类酶材料的探索，纳米酶的反应多样性和应用多元性将会逐步实现。

图4.基于AuNPs的类脱氢酶和基于CeO2的类脱氧核糖核酸酶I

参 考 文 献

1. Hui Wei Erkang Wang; Nanomaterials with enzyme-like characteristics (Nanozymes): next-generation artificial enzymes. Chem. Soc. Rev. 2013 42 6060-6093
2. Wu J.; Wang X.; Wang Q.; Lou Z.; Li S.; Zhu Y.; Qin L.; Wei H. Nanomaterials with Enzyme-Like Characteristics (Nanozymes): Next-Generation Artificial Enzymes (II). Chem. Soc. Rev. 2019 48 1004-1076.
3. Huang Y.; Ren J.; Qu X. Nanozymes: Classification Catalytic Mechanisms Activity Regulation and Applications. Chem. Rev. 2019 119 4357–4412.
4. Zhou Y.; Liu B.; Yang R.; Liu J. Filling in the Gaps between Nanozymes and Enzymes: Challenges and Opportunities. Bioconjugate Chem. 2017 28 2903-2909.
5. Liu B.; Huang Z.; Liu J. Boosting the Oxidase Mimicking Activity of Nanoceria by Fluoride Capping: Rivaling Protein Enzymes and Ultrasensitive F- Detection. Nanoscale 2016 8 13562-13567.
6. Zhao Y.; Wang Y.; Mathur A.; Wang Y.; Maheshwari V.; Su H.; Liu J. Fluoride-Capped Nanoceria as Highly Efficient Oxidase-Mimicking Nanozyme: Inhibiting Product Adsorption and Increasing Oxygen Vacancy. Nanoscale 2019.
7. Liu B.; Liu J. Accelerating Peroxidase Mimicking Nanozymes Using DNA. Nanoscale 2015 7 13831-13835.
8. Zhang Z.; Zhang X.; Liu B.; Liu J. Molecular Imprinting on Inorganic Nanozymes for Hundred-Fold Enzyme Specificity. J. Am. Chem. Soc. 2017 139 5412–5419.
9. Zhang Z.; Liu B.; Liu J. Molecular Imprinting for Substrate Selectivity and Enhanced Activity of Enzyme Mimics. Small 2017 13 1602730.
10. Zhang Z.; Liu J. Intracellular Delivery of a Molecularly Imprinted Peroxidase Mimicking DNAzyme for Selective Oxidation. Materials Horizons 2018 5 738-744.
11. Zhang Z.; Li Y.; Zhang X.; Liu J. Molecularly Imprinted Nanozymes with Faster Catalytic Activity and Better Specificity. Nanoscale 2019 11 4854-4863.
12. Zhang J.; Lu X.; Tang D.; Wu S.; Hou X.; Liu J.; Wu P. Phosphorescent Carbon Dots for Highly Efficient Oxygen Photosensitization and as Photo-Oxidative Nanozymes. ACS Applied Materials & Interfaces 2018 10 40808-40814.
13. Zhang J.; Wu S.; Lu X.; Wu P.; Liu J. Manganese as a Catalytic Mediator for Photo-Oxidation and Breaking the Ph Limitation of Nanozymes. Nano Lett. 2019 19 3214-3220.
14. Zhang J.; Wu S.; Lu X.; Wu P.; Liu J. Lanthanide-Boosted Singlet Oxygen from Diverse Photosensitizers Along with Potent Photocatalytic Oxidation. ACS Nano 2019 13 14152-14161.
15. Zhang Z.; Bragg L. M.; Servos M. R.; Liu J. Gold Nanoparticles as Dehydrogenase Mimicking Nanozymes for Estradiol Degradation. Chin. Chem. Lett. 2019 30 1655-1658.
16. Xu F.; Lu Q.; Huang P.-J. J.; Liu J. Nanoceria as a DNAse I Mimicking Nanozyme. Chem. Commun. 2019 55 13215-13218.

撰稿：刘必武、李雨晴、张金懿

校审：张益宏、徐风梧

编辑：徐庚辰