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过氧化物酶体 科学家基于纳米酶仿生设计人工过氧化物酶体

近日，中国科学院生物物理研究所/纳米酶工程实验室研究员高礼赞、范克龙和中科院院士严通过整合纳米酶的结构和功能特性，设计了一种能够模拟过氧化物酶中各种天然酶活性的纳米酶，并以此为基础构建了一种能够在生理条件下工作的人工过氧化物酶，用于改善高尿酸血症和缺血性脑卒中的治疗。
研究小组发现Fe3O4纳米材料早期具有过氧化物酶活性，促进了纳米酶领域的快速发展。此后，该团队一直致力于高活性纳米酶的设计和开发，特别是借鉴天然酶催化活性中心的结构和催化机制，不断将天然酶仿生学的概念引入纳米酶。首先，天然过氧化物酶活性位点的核心铁原子周围的组氨酸介导H2O2在活性位点的定位，有助于催化反应的启动。受此启发，该团队于2017年合成了一系列氨基酸修饰的Fe3O4纳米酶，发现组氨酸残基的修饰显著提高了Fe3O4纳米酶的类过氧化物酶活性。然后，通过模拟卟啉环结构，设计并合成了掺氮碳球纳米酶，发现该纳米酶具有氧化酶、过氧化物酶、超氧化物歧化酶和过氧化氢酶四种酶活性。2019年，该团队直接模仿天然过氧化物酶中金属卟啉环的配位结构，以金属有机骨架材料ZIF-8为前驱体，设计合成了一种含锌卟啉结构的高活性单原子碳纳米酶。构效关系分析表明，碳纳米酶中单个锌原子与类卟啉的配位结构是其高效类酶活性的关键。上述研究证明，通过模拟天然酶活性中心及其周围微环境的结构特征来设计和优化纳米酶是一种可行的策略。
这项研究工作是上述研究的延伸和扩展。模仿天然酶活性中心和辅因子的结构特点和协同作用，在氮掺杂碳纳米酶结构的基础上进一步引入铁元素，形成类似天然酶辅因子的铁氮配位结构。材料合成后，一系列表征结果表明，铁和氮成功地掺杂在中间空碳球结构中，掺杂的铁和氮元素在碳层中形成了铁-氮4的配位杂环结构。这种结构与天然酶辅因子铁卟啉非常相似。此外，纳米酶表面还具有铁原子形成的Fe簇结构。以铁簇为辅因子，铁-N4为辅基，该构建得到的新型纳米酶具有稳定的酶活性，包括过氧化氢酶、尿酸氧化酶、超氧化物歧化酶、过氧化物酶和氧化酶。与掺氮纳米酶相比，各种新型纳米酶的活性均有显著提高。其中超氧化物歧化酶活性达到1000 U/mg，催化活性与天然酶相当。
这种具有多酶活性的纳米酶与细胞中的过氧化物酶体有许多相似之处。过氧化物酶体是一种被单层膜包裹的异质细胞器，广泛存在于真核细胞中。其特征酶有过氧化氢酶、尿酸氧化酶等。，具有调节氧浓度、抗氧化、解毒和脂肪酸氧化等重要的生物学功能。由于其重要的生理功能，以往的研究一直试图将过氧化物酶体用于疾病的治疗。然而，过氧化物酶体本身难以提取，传统的人工过氧化物酶体开发策略存在制备复杂、负载天然酶活性有限、稳定性差等问题，不能在生理环境下正常工作。因此，过氧化物酶体治疗疾病的研究一直停留在概念证明的细胞实验水平。然而，本工作设计的新型纳米酶具有几种与过氧化物酶体中重要特征酶相似的酶活性，且稳定性高。纳米结构表面的活性位点更有利于催化反应，因此有望作为人工过氧化物酶体用于体内相关疾病的治疗。此外，由于这种纳米酶具有与过氧化物酶体相似的功能，多种活性可以串联反应，研究人员称之为纳米酶，不同于以往单一活性的纳米酶。
【过氧化物酶体 科学家基于纳米酶仿生设计人工过氧化物酶体】本工作基于新设计的纳米酶体构建了人工过氧化物酶体。这种人工过氧化物酶体通过尿酸氧化酶/过氧化氢酶和超氧化物歧化酶/过氧化氢酶的级联反应，可有效治疗动物高尿酸血症和缺血性中风模型。本研究表明，这种人工过氧化物酶体是一种能够在体内稳定高效地发挥各种功能的人工细胞器。值得强调的是，本研究构建的人工过氧化物酶体不同于报道的单原子纳米酶。在这种人工过氧化物酶体中，铁-N4单原子结构与铁簇之间的协同效应是获得高催化活性的关键。因此，通过碳纳米酶的多元掺杂，可以进一步实现天然酶的仿生设计，获得性能优越的人工过氧化物酶体，并应用于体内催化治疗。

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