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研究解析超氧化物歧化纳米酶的催化机制


作者: 文章来源:中国科学院

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  研究解析超氧化物歧化纳米酶的催化机制。纳米酶是一类蕴含酶学特性的纳米材料,能够在生理或极端条件下催化酶的底物,具有类似天然酶的酶促反应动力学,并可作为酶的替代品用于人类健康。2007年首次报道以来,全球陆续报道了近1200种不同纳米材料的纳米酶活性,同时,催化类型涵盖氧化还原酶、水解酶、裂合酶和异构酶等。纳米酶是多学科交叉融合的典范。经过多年发展,在化学、酶学、材料、生物、医学、理论计算等多领域科学家的共同推进下,纳米酶已成为新的研究热点。随着对纳米酶催化机制和构-效关系的深入研究,纳米酶逐渐从随机合成演变为理性设计。特别是过氧化物纳米酶,其催化活性已超越了天然过氧化物酶。

  然而,对于具有其他催化类型(如超氧化物歧化酶,SOD)活性的纳米酶,面临构-效关系不明确、催化活性低的挑战。为此,科研人员在系统研究碳点纳米酶的构-效关系基础上,制备了一种催化活性与天然SOD酶活性媲美的碳点SOD纳米酶。通过选择性化学修饰和理论计算,研究人员对其催化机制和构-效关系进行深度阐释。1月11日,相关研究成果在线发表在《自然-通讯》(Nature Communications)上。

  碳点(C-dots)作为一类光致发光纳米材料,因独特的性质受到关注。碳点具有粒径小、易制备、成本低等优点,其表面丰富的含氧官能团如羰基、羧基、羟基等,使其具有良好的水溶性和易于功能化的特点。因此,碳点在传感、生物成像、发光二极管、疾病治疗等方面展现出应用潜力。此外,碳点由于小尺寸效应和丰富的活性位点而表现出催化活性,但以往报道的碳点纳米酶集中于其过氧化物酶活性,关于设计具有高抗氧化活性的碳点纳米酶的报道较为罕见。

  本研究设计了具有超高类SOD活性的碳点纳米酶(活性>10000 U/mg),并利用表面结构定向调控策略和理论计算揭示了其催化机制。研究表明,碳点SOD纳米酶的羟基和羧基能够通过氢键与超氧阴离子结合,与π-体系共轭的羰基则夺取超氧阴离子的一个电子,产生氧气和还原态碳点。还原态碳点被另一个超氧阴离子氧化回初始状态并产生过氧化氢。体外实验结果显示,碳点纳米酶可选择性靶向氧化损伤的细胞,并定位到线粒体,这对从源头上清除胞内ROS有利。结合其高催化活性,研究将碳点SOD纳米酶应用于抵御体内缺血性中风引起的氧化应激,并取得良好的治疗效果。此外,碳点SOD纳米酶具有稳定性高、制备容易、成本低廉、易于规模化生产等优点,克服了天然酶的局限性,在工业、医学、生物等领域颇具应用潜力。

  该研究由中国科学院生物物理研究所、南开大学、西安交通大学合作完成。研究工作得到国家自然科学基金、国家重点研发计划、中科院科技创新交叉与合作团队、中科院青年创新促进会、西安交通大学青年拔尖人才计划的支持。

  论文链接

(a)碳点SOD纳米酶的制备、催化机制及(b)其在缺血性中风治疗中的应用


研究团队单位:生物物理研究所

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