近日，中國科學(xué)院生物物理研究所/中科院納米酶工程實(shí)驗(yàn)室研究員高利增、范克龍和中科院院士閻錫蘊(yùn)團(tuán)隊(duì)通過整合納米酶的結(jié)構(gòu)和功能特點(diǎn)，仿照天然酶的活性中心和輔因子的協(xié)同作用，設(shè)計(jì)了一種能夠模擬過氧化物酶體內(nèi)多種天然酶活性的納米酶，并基于此納米酶構(gòu)建了一種可在生理?xiàng)l件下工作的人工過氧化物酶體（artificial peroxisome），并將其用于改善高尿酸血癥和缺血性中風(fēng)的治療。

研究團(tuán)隊(duì)早期發(fā)現(xiàn)Fe₃O₄納米材料具有過氧化物酶活性，推動了納米酶領(lǐng)域的快速發(fā)展。此后，該團(tuán)隊(duì)一直致力于高活性納米酶的設(shè)計(jì)和開發(fā)，尤其是借鑒天然酶催化活性中心的結(jié)構(gòu)和催化機(jī)理，不斷將天然酶仿生的理念引入納米酶。首先，天然過氧化物酶的活性部位核心-鐵原子周圍的組氨酸介導(dǎo)了H₂O₂在活性位點(diǎn)的定位，并有助于催化反應(yīng)的啟動。受此啟發(fā)，該團(tuán)隊(duì)在2017年合成了一系列氨基酸修飾的Fe₃O₄納米酶，并發(fā)現(xiàn)組氨酸殘基的修飾顯著提高了Fe₃O₄納米酶的類過氧化物酶活性。隨后，通過模擬卟啉環(huán)結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)合成了一種氮元素?fù)诫s的碳球納米酶，并發(fā)現(xiàn)該納米酶具有氧化酶、過氧化物酶、超氧化物歧化酶和過氧化氫酶四種類酶活性。2019年，團(tuán)隊(duì)直接仿照天然過氧化物酶中金屬卟啉環(huán)的配位結(jié)構(gòu)，利用金屬有機(jī)框架（MOF）材料ZIF-8為前驅(qū)體，設(shè)計(jì)合成了一種含有Zn卟啉結(jié)構(gòu)的高活性單原子碳納米酶。構(gòu)效關(guān)系分析表明該碳納米酶中的單Zn原子及其類卟啉的配位結(jié)構(gòu)是其發(fā)揮高效類酶活性的關(guān)鍵。以上研究證實(shí)了模擬天然酶活性中心及其周圍微環(huán)境的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)來設(shè)計(jì)和優(yōu)化納米酶的是一種切實(shí)可行的策略。

本研究工作是上述研究的延伸和拓展。仿照天然酶的活性中心和輔因子的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和協(xié)同作用，在氮摻雜碳納米酶結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上進(jìn)一步引入Fe元素，以期其能夠形成與天然酶輔助因子類似的Fe-N配位結(jié)構(gòu)。在材料合成之后，一系列的表征結(jié)果顯示Fe和N成功地被摻雜在了中空碳球的結(jié)構(gòu)中，且摻雜的Fe和N元素在碳層中形成了Fe-N₄的配位雜環(huán)結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)與天然酶輔助因子中鐵卟啉的結(jié)構(gòu)特征非常相似。此外，這種納米酶表面還具有由鐵原子形成的Fe團(tuán)簇結(jié)構(gòu)。以Fe團(tuán)簇為輔助因子，F(xiàn)e-N4為輔基，這種構(gòu)建得到的新型納米酶具有穩(wěn)定的多種類酶活性，包括過氧化氫酶、尿酸氧化酶、超氧化物歧化酶、過氧化物酶和氧化物酶。相比于氮摻雜納米酶，新型納米酶的每種類酶活性都得到了顯著提升。其中，超氧化物歧化酶的活性達(dá)到1000 U/mg，催化活力可與天然酶相媲美。

這種具有多酶活性的納米酶與細(xì)胞內(nèi)的過氧化物酶體有著諸多相似之處。過氧化物酶體是一種由單層膜包起來的異質(zhì)性細(xì)胞器，在真核細(xì)胞中廣泛存在，其特征酶是過氧化氫酶、尿酸氧化酶等，發(fā)揮著調(diào)節(jié)氧濃度、抗氧化、解毒和脂肪酸氧化等重要的生物學(xué)功能。正是由于有著重要的生理學(xué)作用，以往研究一直嘗試著將過氧化物酶體用于疾病的治療之中。然而，過氧化物酶體本身很難提取，而傳統(tǒng)的人工過氧化物酶體開發(fā)策略又存在著制備復(fù)雜、裝載天然酶活性受限、穩(wěn)定性差等問題，無法在生理環(huán)境下正常工作。所以，利用過氧化物酶體來治療疾病的研究一直停留在概念驗(yàn)證的細(xì)胞實(shí)驗(yàn)層面。而在本工作中設(shè)計(jì)的新型納米酶具有的幾種類酶活性都是過氧化物酶體中重要的特征酶相似，而且穩(wěn)定性高，活性位點(diǎn)位于納米結(jié)構(gòu)表面更有利于催化反應(yīng)，因此有望被用作人工過氧化物酶體用于體內(nèi)相關(guān)疾病的治療。此外，由于這種納米酶具備了與過氧化物酶體類似的功能，并且多個(gè)活性之間能夠串聯(lián)反應(yīng)，研究人員將其稱為納米酶體（nanozysome），以區(qū)別于以往單一活性為主的納米酶。

本工作基于新設(shè)計(jì)的納米酶體構(gòu)筑了人工過氧化物酶體。這種人工過氧化物酶體通過尿酸氧化酶/過氧化氫酶、超氧化物歧化酶/過氧化氫酶之間的級聯(lián)反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了對動物高尿酸血癥和缺血性中風(fēng)模型的有效治療。這項(xiàng)研究表明，這種人工過氧化物酶體是一種可以穩(wěn)定高效地執(zhí)行體內(nèi)多種功能的人工細(xì)胞器。值得強(qiáng)調(diào)的是，本研究所構(gòu)建的人工過氧化物酶體與已有報(bào)道的單原子納米酶不同，在該人工過氧化物酶體中，F(xiàn)e-N₄單原子結(jié)構(gòu)和鐵團(tuán)簇之間的協(xié)同作用是獲得高催化活性的關(guān)鍵。因此，通過對碳納米酶的多元素?fù)诫s，可進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對天然酶的仿生設(shè)計(jì)，從而獲得性能優(yōu)越的人工過氧化物酶體，并將其應(yīng)用于體內(nèi)催化治療。

相關(guān)成果以A nanozyme-based artificial peroxisome ameliorates hyperuricemia and ischemic stroke為題發(fā)表在Advanced Functional Materials上。該工作由生物物理所和揚(yáng)州大學(xué)合作完成，高利增、范克龍和閻錫蘊(yùn)為本文通訊作者。揚(yáng)州大學(xué)副教授奚菊群、生物物理所博士生張若飛為本文共同第一作者。該研究得到國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的資助。

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仿生設(shè)計(jì)納米酶模擬過氧化物酶體用于改善高尿酸血癥和缺血性中風(fēng)