納米酶是一類具有固有酶樣特征的納米材料。近年來，由于其能解決天然酶穩(wěn)定性差、成本高、貯存困難等問題，引起了人們越來越多的關(guān)注。特別是通過結(jié)合納米酶獨(dú)特的理化性質(zhì)和催化活性，納米酶顯示出了廣泛的應(yīng)用，從體外檢測到替代生命系統(tǒng)中的特定酶。盡管已經(jīng)廣泛地開發(fā)了納米酶，但是它們相對(duì)較低的催化活性和較差的動(dòng)力學(xué)嚴(yán)重地限制了它們的性能和進(jìn)一步的應(yīng)用。單原子催化劑具有良好的電子結(jié)構(gòu)和幾何結(jié)構(gòu)，通過在原子水平上模擬天然酶高度進(jìn)化的催化中心，可以作為傳統(tǒng)酶的替代品。鑒于此，清華大學(xué)李亞棟院士、王定勝、中科院生物物理研究所閻錫蘊(yùn)院士和北京理工大學(xué)梁敏敏等人通過精確地配位磷（P）和氮（N）來調(diào)節(jié)單原子鐵（Fe）活性中心，開發(fā)了一種原子級(jí)別的FeN3P單原子過氧化物酶納米酶（FeN3P-SAzyme），以模仿高度進(jìn)化的催化中心和天然酶的高選擇性。成果以“Matching the kinetics of natural enzymes with a single-atom iron nanozyme”為題，發(fā)表在Nature Catalysis上。
FeN3P-SAzyme的合成如圖所示，首先通過溶劑熱法制備沸石咪唑鹽骨架8（ZIF-8）（作為碳和氮的前體）作為原料。P物質(zhì)是許多天然酶的重要組成部分，在協(xié)助電子從底物到酶的活性中心的隧穿中起著關(guān)鍵作用。因此，研究人員在合成系統(tǒng)中采用P作為前體來錨定金屬活性中心，同時(shí)調(diào)節(jié)局部配位結(jié)構(gòu)。然后，通過聚合將Fe離子和PZM聚合物的單體包裹在ZIF-8的表面上，得到Fe/ZIF-8@PZM核-殼復(fù)合材料。所構(gòu)建的FeN3P-SAzyme可以被認(rèn)為是一種類過氧化物酶的納米酶，因?yàn)樗鼘?shí)現(xiàn)了對(duì)過氧化物酶底物TMB的催化氧化，其催化效率和選擇性與HRP相當(dāng)。FeN3P-SAzyme結(jié)構(gòu)良好的Fe活性中心，通過P和N的精確配位，模擬HRP的單原子Fe活性中心，分解附近的H2O2，在P原子的頂部生成OH和O原子的表面物種。獨(dú)特的是，P位上生成的OH和O原子由于形成了強(qiáng)氫鍵而對(duì)TMB基底表現(xiàn)出很高的親和力(?0.44和?0.65 eV）。這種精心設(shè)計(jì)的三維多孔碳基納米材料模擬了酶的三維氨基酸結(jié)構(gòu)的作用，以充當(dāng)促進(jìn)氫從TMB轉(zhuǎn)到OH和O的載體。這進(jìn)一步增強(qiáng)了過氧化物酶樣的催化活性和底物選擇性。圖|類過氧化物酶活性和動(dòng)力學(xué)此外，通過利用FeN3P-SAzyme的高過氧化物酶樣活性，它可以在腫瘤酸性環(huán)境下選擇性地催化生成豐富的活性氧，然后以將FeN3P-SAzyme用作抑制腫瘤細(xì)胞的有效治療策略。體內(nèi)外實(shí)驗(yàn)結(jié)果結(jié)果表明，具有優(yōu)異的過氧化物酶活性的FeN3P-SAzyme可在腫瘤細(xì)胞中誘導(dǎo)快速的氧化致死性，以及具有顯著的腫瘤生長抑制作用。綜上所述，通過精確設(shè)計(jì)活性中心的電子和幾何結(jié)構(gòu)，單原子納米酶可以為開發(fā)人造酶作為天然酶的最有利替代品開辟一條有希望的途徑。此外，開發(fā)的單原子納米酶還將在酶催化、均相催化和多相催化之間架起一座橋梁。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
