南京大学《自然·通讯》：微环境调节可打破纳米酶固有的pH限制并提高活性

具有类酶活性的功能性纳米材料被称为纳米酶，在各个领域都有广泛的应用。然而，纳米酶的工作pH值和最佳pH值之间的偏差限制了它们的实际应用。

有鉴于此，南京大学魏辉教授、董昊教授和武江洁星等人开发了一种策略，通过限制多元酸或多元碱（充当Brønsted酸或碱）来调节金属有机框架（MOF）纳米酶的微环境pH值。研究发现，将聚丙烯酸（PAA）限制在类过氧化物酶PCN-222-Fe（PCN=多孔配位网络）纳米酶的通道中降低了其微环境pH值，使其能够在pH 7.4下发挥最佳活性，并解决了与酸变性氧化酶偶联的级联系统中的pH失配问题。实验研究和分子动力学模拟表明，在中性pH条件下，PAA不仅能提供质子，还能通过水合氢和脱质子羧基之间的盐桥保持质子。与此同时，聚乙烯亚胺的限制增加了微环境的pH值，导致MOF纳米酶的类水解酶活性增强。这一策略有望为设计用于实际应用的高性能纳米酶和纳米催化剂铺平一条有前景的道路。相关工作以“Microenvironmental modulation breaks intrinsic pH limitations of nanozymes to boost their activities”为题发表在Nature Communications。

【文章要点】

活性位点周围的氨基酸残基官能团为酶提供了一个独特的微环境，使其能够结合和定向底物，稳定过渡状态，并介导一般的酸/碱催化。受酶的启发，作者假设通过引入羧基（Brønsted酸）来提供质子，引入氨基（Brønsted碱）来接受质子，催化活性位点附近的微环境pH值可以分别降低和增加，而不会改变本体溶液的pH值。为了证实这一假设，作者选择了金属有机框架（MOF）来模拟酶，因为MOF表现出与金属酶非常相似的特征。一方面，金属节点（或离子）以及MOF的连接体可以作为催化活性位点。另一方面，MOF中的空腔和通道可以很容易地进行修饰，这为精细调节微环境pH值提供了可行性。作者认为，具有丰富官能团和高柔性的聚合物可以很容易地渗透到MOF的空腔或通道中，然后被限制在催化活性中心附近，以局部调节pH值（图1）。

图1 突破MOF纳米酶的pH限制以提高其活性

总之，作者开发了一种微环境调节策略来打破纳米酶固有的pH限制。将多元酸PAA限制在PCN-222-Fe纳米酶的通道内能够降低催化活性中心附近的局部pH值。MD模拟表明，质子可以被捕获在PAA修饰的通道内，以增强生理条件下的催化活性，这一过程是由于PAA的缓冲作用。PCN-222-Fe纳米酶的类过氧化物酶活性在生理pH下显著增加，这进一步解决了天然氧化酶和PCN-222-Fe纳米酶之间的pH不匹配问题。由此，研究可灵敏地检测到数种分析物，并基于一锅氧化酶/PCN-222-Fe@PAA级联反应实现了数种天然和非天然氨基酸的手性识别。此外，将多碱（polybase）PEI限制在Zr-MOF纳米酶的空腔或通道中可以增加微环境pH值，从而显著提高其类水解酶活性（图2）。作者认为，上述策略将拓宽对纳米催化剂催化活性位点周围微环境调节的理解。

图2 微环境pH调节下的一锅氧化酶/MOF纳米酶级联反应

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-024-55163-4#Sec1