Small:缺陷纳米酶联受体

1、研究背景:

酶联受体是一类同时具有受体结合域和酶催化域的生物蛋白,其受体在结合配体之后会进而改变酶催化活性。尽管这一特点使其在生物传感领域具有很大应用价值,但生物酶的高昂成本,复杂制备工序等因素限制了其实际应用的开发。近年来,纳米酶由于同时具备生物酶的催化活性和纳米材料的物理化学性质而广受关注,并成功替代酶应用于生物催化领域,尤其是构建生物传感器。然而,现阶段的纳米酶面临着诸多挑战:一方面,纳米酶活性较自然酶的差距直接导致了其应用性能的不足。另一方面,多数纳米酶的设计仅注重生物酶活性的模拟,缺乏对其他酶相关功能的开发也制约了其应用的范畴。因此,设计高效的纳米酶并丰富其功能有望实现对酶性能更为深度的模拟,甚至是酶联受体的模拟。

2、文章概述:

近日,华中师范大学朱成周教授课题组设计合成了一种具有氰基缺陷的氮化碳(DCN)纳米颗粒,并作为纳米酶联受体以区分多种金属离子。通过氯化钾模板法,不仅实现了DCN表面高度氰基缺陷化,还赋予其优异水相分散性以实现高效的溶液相催化。对比石墨化氮化碳(GCN),DCN在类过氧化物酶(POD)活性模拟上有着109.5倍的提高。实验和理论计算的结果表明:尽管DCN不遵循传统的羟基自由基路径,但是仍表现出消耗自由基以增强活性的特点。进一步利用氰基与金属的强配位能力,DCN能够与多种金属离子相结合进而表现出不同程度的POD活性。通过类比酶联受体的结构及特点,纳米酶联受体的概念被首次提出。进一步模拟酶联受体的信号转换功能,成功构建了一种基于纳米酶联受体的传感阵列用以转换金属离子的类别信息为不同的颜色信息。

3、图文导读

图1合成及表征。a. DCN的合成示意图。b. DCN的扫描电镜图。内置图片为DCN的粉末及水溶液照片。GCN与DCN的表征:c. X射线晶体结构、d. 红外光谱、e. 13C固体核磁谱、f,g. X射线光电子能谱。
图2 类过氧化物酶性能评价。a. 不同催化体系的吸收光谱。b. 652 nm处吸光度值随时间变化曲线。内置图片为催化平衡时吸光度值比较。c、d. 催化动力学评价。
图3 催化机理研究。a. 反应体系中羟基自由基的顺磁共振谱。b. 异丙醇抑制羟基自由基实验。c. DCN催化过氧化氢和羟基自由基以表现POD活性的示意图。
图4 理论计算研究。a、b. GCN和DCN的类过氧化物酶催化路径。c、d. 不同路径中GCN和DCN催化过氧化氢的反应势垒图。
图5 纳米酶联受体。a. 酶联受体和纳米酶联受体对比示意图。b. DCN结合不同类别和浓度的金属离子后催化性能的热图。c. 铁K吸收边的X射线吸收近边结构。d. 扩展X射线吸收精细结构。e. 结合铁离子和汞离子前后DCN中碳元素的X射线光电子能谱。f. 纳米酶联受体作用过程的原位红外光谱。g. 纳米酶联受体的增强机理。h. 纳米酶联受体的抑制机理。
图6 基于纳米酶联受体的传感阵列应用。a. 传感器对具有增强效应的金属离子的响应。b. 线性差分分析具有增强效应的金属离子。c. 传感器对具有抑制效应的金属离子的响应。d. 线性差分分析具有抑制效应的金属离子。

该项目研究获得国家自然科学基金(22074049,22004042)及中央高校基本科研业务费专项资金(CCNU20QN007,CCNU20TS013)等项目的资助,谨此感谢。

论文信息:

Defect-Engineered Nanozyme-Linked Receptor

Yu Wu, Jing Wen, Weiqing Xu, Jiajia Huang, Lei Jiao, Yinjun Tang, Yifeng Chen, Hongye Yan, Shiyu Cao, Lirong Zheng, Wenling Gu, Liuyong Hu, Lizhi Zhang, Chengzhou Zhu*

Small

DOI: 10.1002/smll.202101907

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202101907