Small:“准”MOF纳米酶的理性设计与光响应拟酶催化抗菌应用

身处后抗生素时代,当前的化学工具箱给人类社会带来了严峻的生态危害、细菌耐药性、环境污染和食品链安全等危机。近年来,纳米酶可通过持续的仿生酶模拟反应催化灭活耐药细菌,有望成为一类具有持久和更安全抑菌功效的候选抗/杀菌剂。例如,过氧化物酶(POD)纳米模拟物可以利用生理浓度的过氧化氢激活其类酶反应而局部产生大量的杀菌活性氧 (ROS),可以规避变性或蛋白酶水解而保持持久的杀菌活性,并且可以通过外部刺激调控或集成到运载工具中以在病理部位发挥高水平作用,从而实现对细菌敏感的消毒治疗。作为一类由金属离子/簇和有机配体构成的结晶多孔材料,金属有机框架(MOFs)具有可以精确地从头设计或合成后改性以定制丰富且明确的酶模拟态,在纳米酶研究领域已然成为研究焦点。并且,从本质上讲,MOF纳米酶在物化性质上与生物酶具有高度相似性,二者均呈现出复杂的以金属为中心的催化位点和用于底物吸附的口袋位点的有序空间结构。尽管如此,MOF 酶仿生普遍缺乏对其良好反应性和功能适应性的理性设计,导致MOF纳米酶的开发与应用受限。

为此,华南理工大学孙大文院士团队采用MOF 晶体工程与配体受控热解相结合的策略,构建了用于光活化POD模拟的0D/2D 分层异质结状双金属准MOF界面(Quasi MOF,Q-MOF),以实现快速、安全和协同的按需催化抗菌治疗(图1)。

图1. 双金属CeCu-MOF纳米片的晶体工程及受控衍生化。

图2. 异质结构 Q-MOF 纳米酶的(A))POD 模拟和 (B)光化学,以及 (C)催化抗菌机制。

结合CeCu-MOFs及其衍生物的结构-活性相关性研究,异质结样 Q-MOFCe0.5 纳米片被确定在光敏 POD 模拟机制方面具有显着优势。Q-MOFCe0.5特殊的0D/2D类异质结界面由部分金属节点原位衍生而来的零维CeCuOx纳米团簇和脱羧化后保留的MOF二维支撑骨架合理构成,为其催化中心配备了氧空位耦合的多价氧化还原循环位点(图2A)以及光敏性能带配置(图2B)。这些集成的独特特性使 Q-MOFCe0.5 能够,1) 允许细菌直接粘附在大型 2D 纳米界面上,2) 通过可见光开关激活按需光化学,以及 3) 产生持续且丰富的羟基自由基和单线态氧用于轰击细菌膜和细胞成分,从而强化拟POD酶抗菌作用(图2C)。体内及体外抗菌试验表明,这种Q-MOF纳米酶不仅可在低剂量下对大肠杆菌(99.74 %)和金黄色葡萄球菌(99.35%)表现出优异的杀菌效果(高达99.74 %的杀灭率),而且对受感染皮肤伤口具有显着促进作用。此外,细胞生理学和动物组织学等分析也证明了其良好的生物相容性。这种基于Q-MOF 纳米结构的光敏 POD 模拟启发了一类具有潜在更好治疗效果和生物相容性的光调节杀菌机制。

总之,这项工作构建了一个准 MOF 方案原型以启发MOF 纳米酶的理性设计,应用于包括医疗、食品和环境实践在内的各种人类活动中的微生物安全控制。

论文信息:

Photosensitized Peroxidase Mimicry at the Hierarchical 0D/2D Heterojunction-Like Quasi Metal-Organic Framework Interface for Boosting Biocatalytic Disinfection

Lunjie Huang, Da-Wen Sun*, Hongbin Pu

Small

DOI: 10.1002/smll.202200178

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202200178