Adv. Mater. | 中科院生物物理所高利增课题组设计高活性纳米酶超越天然酶

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纳米酶是一类蕴含酶学特性的纳米生物催化剂，作为新一代人工酶，纳米酶具有高活性、超稳定、多功能、低成本等优势，有望克服天然酶的不足，推动生物催化在生物医学、化工、环境、能源、农业等重大领域的应用。纳米酶是由中国科学家提出和引领的新兴交叉领域，目前进入高速发展时期，全球已有超过55个国家的420多个实验室开展纳米酶相关研究，报道了1000多种纳米酶；入选国际纯粹与应用化学联合会（IUPAC）“2022年度化学领域十大新兴技术”，以及科睿唯安《2022研究前沿》。中国科学院生物物理研究所高利增课题组长期聚焦纳米酶的设计开发和生物医学应用研究，在阎锡蕴院士实验室攻读博士期间首次发现四氧化三铁纳米颗粒具有类过氧化物酶活性，用于酶联免疫分析（Nature Nanotechnology 2007，单篇他引>4200次，其中建立的酶活检测方法已纳入国家和国际ISO标准），为纳米酶的提出和发展奠定了基础。独立工作后进一步挖掘和提升纳米酶的特性，揭示了纳米酶仿生催化抗菌的生物效应和分子机制，提出纳米酶抗生素，为解决细菌耐药提供新策略；发展催化治疗肿瘤和催化抗氧化防治策略，以及多项高灵敏检测技术，推动纳米酶催化技术在医学领域的应用。在Nature Communications, Advanced Materials, Nano Today等杂志发表论文100余篇，他引超过1万次，开展2项临床相关研究（其中1项已实现企业转化）。

当前尽管已设计开发出了多种类型的纳米酶，但是大多数活性低于天然酶。比如，早期发现的四氧化三铁过氧化物纳米酶，虽然从单个粒子角度看催化效率Kcat高于单个酶分子，但是按照比活（U/mg）计算则不到1 U/mg，远低于天然辣根过氧化物酶（HRP）的活力（>150 U/mg），表明纳米酶的原子利用率低。这一现象广泛存在于多种纳米酶中，催化活性的不足，严重制约了纳米酶替代天然酶的实际应用。但是，能够有效提升纳米酶活力达到天然酶水平的手段仍然十分缺乏。

近日，中国科学院生物物理研究所纳米酶工程实验室高利增课题组与阎锡蕴、范克龙课题组，以及国家纳米科学中心高兴发课题组合作，综合利用仿酶设计和尺寸调控策略，通过表面配体的调控功能，制备了催化活性超越辣根过氧化物酶（HRP）的钌过氧化物纳米酶，并在ELISA中成功取代HRP用于癌症标志物高灵敏检测。相关成果以“Surface Ligand Engineering Ruthenium Nanozyme Superior to Horseradish Peroxidase for Enhanced Immunoassay”发表于Advanced Materials。

该研究利用表面配体如聚苯乙烯磺酸钠(PSS)、聚乙烯醇(PVA)聚乙烯毗咯烷酮(PVP)、聚丙烯酸(PAA)与金属活性位点之间的相互作用，得到了比活力从521 U/mg到2820 U/mg不等的钌过氧化物纳米酶，其中PSS修饰的纳米酶的活力达到了天然辣根过氧化物酶（HRP）（比活力为1305 U/mg）的2倍。密度泛函理论计算证实了配体与金属之间存在电荷转移，反应能量曲线表明，表面钌原子向配体的电荷转移能减弱其对活性中间体羟基自由基的吸附，使显色底物TMB的氧化过程更容易发生。制得的Ru@PSS过氧化物纳米酶可以在ELISA检测中取代HRP，实现了对癌症标志物甲胎蛋白的高灵敏检测，灵敏度是商品化ELISA的140倍。这些结果表明，通过理性设计能够实现纳米酶活性超越天然酶，并且有望取代天然酶更好的满足实际应用需求。

图1 表面配体调控纳米酶催化示意图及其在ELISA检测中的应用。

中国科学院生物物理研究所高利增研究员为本文通讯作者，中国科学院生物物理研究所樊慧真博士、国家纳米科学中心征甲甲副研究员为共同第一作者。该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国科学院青年创新促进会和创新交叉团队项目的资助。

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撰稿：梅南雄

审阅：梅南雄

编辑：杜江

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