中國科學家發現了大腸桿菌們的新“殺手”_風聞
Science_北京-不惧过往，不畏将来！2019-05-16 11:47
編譯／雷鑫宇 審稿／alone 責編／唐林芳
研究人員設計了一系列新型單原子納米酶，該成果對納米酶催化機理、納米酶抑菌效果的研究有推動作用。
納米酶是一種具有酶樣特性的催化納米材料，吸引了科學家的廣泛研究興趣。納米酶具有成本低、穩定性高、催化活性可調和易於大規模生產等特點，因而在生物傳感、組織工程和環境保護等領域有廣闊的應用前景。
然而，傳統納米酶技術除有低密度活性位點致催化活性偏低等缺點外，還面臨着尺寸、組成和表面催化活性依賴等方面的關鍵挑戰。
phys.org網站5月14日報道，《科學進展》雜誌載文稱，中國研究人員Liang Huang等發現了一系列新型單原子酶，這類酶在納米材料中表現出原子分散的類酶活性位點。這些位點可顯著提高單原子納米酶的催化性能。
研究人員以氧化酶催化反應作為模型反應，經理論計算和實驗研究揭示了納米酶的潛在機理：納米酶含有碳納米結構和特殊的FeN5活性中心，可用於多種抗菌應用。
自2007年鐵磁納米粒子具有類過氧化物活性以來，科學家們利用金屬氧化物、貴金屬和金屬有機框架等材料設計了各種納米酶。但與天然酶相比，人工納米酶的催化活性較低且催化機制很複雜。因此研究人員很難找到酶活性的精確位點和起源，納米酶技術的應用受到極大限制。
Huang等利用先進的單原子技術進行了固有類酶活性位點的設計，並發現原子分散的金屬中心可使新納米酶結構中活性位點的效率和密度最大化。該方法有望成為合成高活性單原子納米酶的高效通用方法。
Huang等利用氧化酶催化反應為模型反應，完成了理論計算和實驗研究。並通過協同作用和電子給體機制確定了FeN5 SA/CNF的類氧化活性。
值得注意的是，FeN5 SA/CNF的活性是平面FeN4催化劑和工業鉑碳催化劑活性的17~70倍。此外，與傳統納米酶相比，新納米酶還有軸向配位氧化驅動作用，催化活性更高。
為合成FeN5 SA/CNF，Huang等首先設計了一種金屬-有機骨架（Zn-MOF），以包封酞菁鐵的主客結構（FePc@Zn-MOF）。除鐵以外，錳、鎳和鈷等也可製得對應的單原子納米酶。
此前，研究人員已經證實，在鐵卟啉和FePc的煅燒反應中，方形平面FeN4位點可以保留下來。但如果沒有額外支撐，單分散位點會發生團聚。因此，Huang等將碳納米膜中分離出的FeN4位點與吡啶氮進行配位，得到了更具熱力學穩定性的FeN5/C位點。
FeN5 SA/CNF單原子納米酶在催化還原氧氣的過程中會產生活性氧，從而破壞細菌的細胞膜，起到抑菌作用。
為了評估FeN5 SA/CNF的抑菌活性，Huang等進行了體外實驗，檢測了FeN5 SA/CNF作用下的大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的存活率。與對照組相比，FeN5 SA/CNF作用下的細菌存活率明顯降低。
在體外實驗結果的基礎上，Huang等進行了體內抗菌性能研究。結果表明，用大腸桿菌感染小鼠傷口創面4天后，用新型納米酶進行治療，潰瘍明顯緩解，創面癒合速度加快。接着，Huang等利用組織病理學實驗對體內癒合過程進行了驗證，發現角化細胞會從正常組織遷移到創口，使表皮增厚。這説明納米酶具有高度的生物相容性。
Huang等的成果為納米酶的催化機理和結構設計提供了新視角。新單原子納米酶在抑菌作用方面表現出了巨大潛力。Huang等的研究對下一代納米酶的發現有重要的推動作用。
來源：《科學進展》、《自然·納米技術》、《自然·實驗手冊》
期刊編號：2375-2548, 1748-3387, 1754-2189
原文鏈接：
https://phys.org/news/2019-05-single-atom-nanozymes.html
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