李亚栋/阎锡蕴两位院士联手Nature Catalysis！
奇物论
2021-05-21
纳米酶是一类具有固有酶样特征的纳米材料。近年来，由于其能解决天然酶稳定性差、成本高、贮存困难等问题，引起了人们越来越多的关注。特别是通过结合纳米酶独特的理化性质和催化活性，纳米酶显示出了广泛的应用，从体外检测到替代生命系统中的特定酶。尽管已经广泛地开发了纳米酶，但是它们相对较低的催化活性和较差的动力学严重地限制了它们的性能和进一步的应用。单原子催化剂具有良好的电子结构和几何结构，通过在原子水平上模拟天然酶高度进化的催化中心，可以作为传统酶的替代品。鉴于此，清华大学李亚栋院士、王定胜、中科院生物物理研究所阎锡蕴院士和北京理工大学梁敏敏等人通过精确地配位磷（P）和氮（N）来调节单原子铁（Fe）活性中心，开发了一种原子级别的FeN3P单原子过氧化物酶纳米酶（FeN3P-SAzyme），以模仿高度进化的催化中心和天然酶的高选择性。成果以“Matching the kinetics of natural enzymes with a single-atom iron nanozyme”为题，发表在Nature Catalysis上。
FeN3P-SAzyme的合成如图所示，首先通过溶剂热法制备沸石咪唑盐骨架8（ZIF-8）（作为碳和氮的前体）作为原料。P物质是许多天然酶的重要组成部分，在协助电子从底物到酶的活性中心的隧穿中起着关键作用。因此，研究人员在合成系统中采用P作为前体来锚定金属活性中心，同时调节局部配位结构。然后，通过聚合将Fe离子和PZM聚合物的单体包裹在ZIF-8的表面上，得到Fe/ZIF-8@PZM核-壳复合材料。所构建的FeN3P-SAzyme可以被认为是一种类过氧化物酶的纳米酶，因为它实现了对过氧化物酶底物TMB的催化氧化，其催化效率和选择性与HRP相当。FeN3P-SAzyme结构良好的Fe活性中心，通过P和N的精确配位，模拟HRP的单原子Fe活性中心，分解附近的H2O2，在P原子的顶部生成OH和O原子的表面物种。独特的是，P位上生成的OH和O原子由于形成了强氢键而对TMB基底表现出很高的亲和力(−0.44和−0.65 eV）。这种精心设计的三维多孔碳基纳米材料模拟了酶的三维氨基酸结构的作用，以充当促进氢从TMB转到OH和O的载体。这进一步增强了过氧化物酶样的催化活性和底物选择性。此外，通过利用FeN3P-SAzyme的高过氧化物酶样活性，它可以在肿瘤酸性环境下选择性地催化生成丰富的活性氧，然后以将FeN3P-SAzyme用作抑制肿瘤细胞的有效治疗策略。体内外实验结果结果表明，具有优异的过氧化物酶活性的FeN3P-SAzyme可在肿瘤细胞中诱导快速的氧化致死性，以及具有显著的肿瘤生长抑制作用。综上所述，通过精确设计活性中心的电子和几何结构，单原子纳米酶可以为开发人造酶作为天然酶的最有利替代品开辟一条有希望的途径。此外，开发的单原子纳米酶还将在酶催化、均相催化和多相催化之间架起一座桥梁。Ji, S., Jiang, B., Hao, H. et al. Matching the kinetics of natural enzymes with a single-atom iron nanozyme. Nat Catal 4, 407–417 (2021).https://doi.org/10.1038/s41929-021-00609-x
