納米酶是指具有類酶催化活性的功能納米材料。納米酶作為新一代人工酶，在多個(gè)領(lǐng)域具有應(yīng)用前景，比如生化分析、治療、環(huán)境保護(hù)等。根據(jù)模擬酶種類的不同，納米酶可劃分為過氧化物納米酶、氧化物納米酶、超氧化物納米酶、水解型納米酶等。與天然酶一樣，pH對納米酶的活性存在著顯著的影響。然而，應(yīng)用場景中的pH往往和其最適pH不一致，這使得納米酶的應(yīng)用受到限制。例如，大多數(shù)過氧化物納米酶的最適pH是酸性，而其往往需要在中性條件下應(yīng)用，這造成了納米酶的活性喪失以及應(yīng)用表現(xiàn)不良。如何有效克服該pH限制仍然一個(gè)挑戰(zhàn)。
天然酶的催化位點(diǎn)附近存在著豐富的化學(xué)微環(huán)境，其對天然酶的反應(yīng)活性有著顯著的影響。比如，化學(xué)微環(huán)境可以協(xié)助底物取向與結(jié)合、穩(wěn)定中間態(tài)、調(diào)節(jié)酸堿催化等。酶工程領(lǐng)域應(yīng)用了基因突變等技術(shù)有效地調(diào)整化學(xué)微環(huán)境，進(jìn)而調(diào)控了酶的催化性質(zhì)與反應(yīng)活性。受此啟發(fā)，研究者在納米酶的催化位點(diǎn)附近調(diào)控化學(xué)微環(huán)境，從而實(shí)現(xiàn)局部的酸堿微環(huán)境。研究者以金屬有機(jī)框架（MOF）為納米酶模型，采用低分子量的聚丙烯酸（PAA）來作為Br?nsted 酸，并且將PAA限域到MOF過氧化物納米酶的孔道內(nèi)。由于PAA提供質(zhì)子，從而實(shí)現(xiàn)了酸性的微環(huán)境，這使得該MOF過氧化物納米酶在中性條件下也能發(fā)揮最佳催化活性 （圖1）。
圖1. 聚丙烯酸（PAA）限域?qū)崿F(xiàn)MOF納米酶催化位點(diǎn)附近的酸性微環(huán)境，提升納米酶中性條件下的催化活性。
天然氧化酶被廣泛用于與過氧化物納米酶的級聯(lián)催化反應(yīng)，該級聯(lián)反應(yīng)在生化分析、疾病診療等方面具有潛在應(yīng)用前景。許多天然氧化酶在中性條件下具有顯著活性，而在酸性條件下幾乎失活，比如尿酸氧化酶、乳酸氧化酶、膽堿氧化酶、醇氧化酶、D-氨基酸氧化酶等。然而，大部分過氧化物納米酶卻是在酸性條件下具有最佳活性。天然氧化酶與過氧化物納米酶的pH失配導(dǎo)致了級聯(lián)反應(yīng)效率低下。PAA限域顯著提升了MOF過氧化物納米酶的中性活性，進(jìn)而解決了與氧化酶的pH失配問題（圖2a）。研究者進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了中性條件下“一鍋”級聯(lián)催化反應(yīng)，顯著提升了催化效率 （圖2b）。同時(shí)，利用該級聯(lián)反應(yīng)實(shí)現(xiàn)了對多種活性生物小分子以及氨基酸手性的高選擇性檢測。
圖2. 微環(huán)境調(diào)控實(shí)現(xiàn)氧化酶與MOF納米酶的最適pH匹配，并顯著提升級聯(lián)催化反應(yīng)效率。
除此以外，研究者選擇聚乙烯亞胺（PEI）來作為Br?nsted 堿，創(chuàng)造出堿性的微環(huán)境，顯著提升了MOF納米酶的類水解酶催化活性。該項(xiàng)研究提出了一種微環(huán)境工程的方法，克服了納米酶的pH限制問題，也為異相催化劑的設(shè)計(jì)提供了新的視角。
該研究以“Microenvironmental modulation breaks intrinsic pH limitations of nanozymes to boost their activities”為題于2024年12月30日發(fā)表于Nature Communications。南京大學(xué)現(xiàn)工院博士生李通與匡亞明學(xué)院博士生王曉雨為共同第一作者，南京大學(xué)魏輝教授、董昊教授、武江潔星（現(xiàn)為天津大學(xué)副教授）為通訊作者。該工作得到了湖南大學(xué)邢航教授、京都大學(xué)Susumu Kitagawa教授以及Ken-ichi Otake副教授等重要指導(dǎo)。
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