研讨人员基于纳米酶仿生设计人工过氧化物酶体

近日，中国迷信院生物物理研讨所/中科院酶工程试验室研讨员高利增、范克龙和中科院院士阎锡蕴团队经过整合酶的构造和功效特色，模仿自然酶的活性中间和辅因子的协同感化，设计了一种可以模仿过氧化物酶体内多种自然酶活性的酶，并基于此纳米酶构建了一种可在心理前提下任务的人工过氧化物酶体（artificial peroxisome），并将其用于改良高尿酸血症和缺血性的医治。

研讨团队晚期发明Fe3O4纳米资料具有过氧化物酶活性，推进了纳米酶范畴的疾速成长。尔后，该团队不断努力于高活性纳米酶的设计和开辟，尤其是自创自然酶催化活性中间的构造和催化机理，不时将自然酶仿生的理念引入纳米酶。起首，自然过氧化物酶的活性部位焦点-铁原子四周的组氨酸介导了H2O2在活性位点的定位，并有助于催化反响的启动。受此启示，该团队在2017年分解了一系列氨基酸润饰的Fe3O4纳米酶，并发明组氨酸残基的润饰明显进步了Fe3O4纳米酶的类过氧化物酶活性。随后，经过模仿卟啉环构造，设计分解了一种氮元素掺杂的碳球纳米酶，并发明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品种酶活性。2019年，团队直接模仿自然过氧化物酶中金属卟啉环的配位构造，应用金属无机框架（MOF）资料ZIF-8为前驱体，设计分解了一种含有Zn卟啉构造的高活性单原子碳纳米酶。构效关系剖析标明该碳纳米酶中的单Zn原子及其类卟啉的配位构造是其发扬高效类酶活性的症结。以上研讨证明了模仿自然酶活性中间及其四周微情况的构造特色来设计和优化纳米酶的是一种实在可行的战略。

本研讨任务是上述研讨的延长和拓展。模仿自然酶的活性中间和辅因子的构造特色和协同感化，在氮掺杂碳纳米酶构造根底长进一步引入Fe元素，以期其可以构成与自然酶帮助因子相似的Fe-N配位构造。在资料分解之后，一系列的表征成果显示Fe和N胜利地被掺杂在了中空碳球的构造中，且掺杂的Fe和N元素在碳层中构成了Fe-N4的配位杂环构造。该构造与自然酶帮助因子中铁卟啉的构造特点十分类似。此外，这种纳米酶外表还具有由铁原子构成的Fe团簇构造。以Fe团簇为帮助因子，Fe-N4为辅基，这种构建获得的新型纳米酶具有波动的多品种酶活性，包含过氧化氢酶、尿酸氧化酶、超氧化物歧化酶、过氧化物酶和氧化物酶。比拟于氮掺杂纳米酶，新型纳米酶的每品种酶活性都获得了明显晋升。个中，超氧化物歧化酶的活性到达1000 U/mg，催化活气可与自然酶相媲美。

这种具有多酶活性的纳米酶与细胞内的过氧化物酶体有着诸多类似之处。过氧化物酶体是一种由单层膜包起来的异质性细胞器，在真核细胞中普遍存在，其特点酶是过氧化氢酶、尿酸氧化酶等，发扬着调理氧浓度、抗氧化、解毒和脂肪酸氧化等主要的生物学功效。恰是因为有侧重要的心理学感化，以往研讨不断测验考试着将过氧化物酶体用于疾病的医治之中。但是，过氧化物酶体自己很难提取，而传统的人工过氧化物酶体开辟战略又存在着制备庞杂、装载自然酶活性受限、波动性差等成绩，无法在心理情况下正常任务。所以，应用过氧化物酶体来医治疾病的研讨不断逗留在概念验证的细胞试验层面。而在本任务中设计的新型纳米酶具有的几品种酶活性都是过氧化物酶体中主要的特点酶类似，并且波动性高，活性位点位于纳米构造外表更有利于催化反响，是以无望被用作人工过氧化物酶体用于体内相干疾病的医治。此外，因为这种纳米酶具有了与过氧化物酶体相似的功效，而且多个活性之间可以串联反响，研讨人员将其称为纳米酶体（nanozysome），以差别于以往单一活性为主的纳米酶。

本任务基于新设计的纳米酶体修建了人工过氧化物酶体。这种人工过氧化物酶体经过尿酸氧化酶/过氧化氢酶、超氧化物歧化酶/过氧化氢酶之间的级联反响，完成了对植物高尿酸血症和缺血性模子的无效医治。这项研讨标明，这种人工过氧化物酶体是一种可以波动高效地履行体内多种功效的人工巧胞器。值得强调的是，本研讨所构建的人工过氧化物酶体与已有报道的单原子纳米酶分歧，在该人工过氧化物酶体中，Fe-N4单原子构造和铁团簇之间的协同感化是取得高催化活性的症结。是以，经过对碳纳米酶的多元素掺杂，可进一步完成对自然酶的仿生设计，从而取得功能优胜的人工过氧化物酶体，并将其使用于体内催化医治。(100yiyao.com）