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来自 科技中心 2019-05-06 20:40 的文章
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魏辉课题组在纳米模拟酶研究领域取得重要进展

化学化工学院鞠熀先教授研究组在仿生分子识别与仿生催化领域取得重要研究进展,发现了一种嗜热型高活性的DNA酶,相关成果“Thermophilic Tetramolecular G-quadruplex/Hemin DNAzyme”于11月6日在Angew. Chem. Int. Ed., DOI: 10.1002/anie.201708964在线发表。该成果由博士生郭悦华为第一作者,周俊副教授和鞠熀先教授为通讯作者完成。该研究组博士生陈杰林、中科院大连化学物理研究所博士生程明攀以及法国勃艮第大学David Monchaud教授参与了相关工作。

利用生物学或者化学的方法模拟天然酶不仅具有重要的科学意义而且有着巨大的实际应用价值。近几年来,人们发现某些纳米材料同样存在着类似于天然酶属性的催化活性,从而引起了人们极大的关注。与传统的人工模拟酶相比,这类新型的纳米模拟酶(nanozymes)除了同样具有更加稳定的化学性质和催化活性,成本低廉等优势,更有着自己独特的性质,例如更易于实现大规模的制备、高的比表面积、催化活性可调、以及具有光电磁学特性等。近几年来,纳米模拟酶在生物医学等领域的越来越受到人们的关注。

由于蛋白质的温度敏感性,蛋白酶的催化性能与温度相关,在应用上受到很大的限制。寻找、发现能够在极端环境如高温下仍具有高催化能力、高稳定性的仿生模拟酶具有十分重要的意义。近年来,具有催化活性的纳米结构材料和G-四链体/hemin DNA模拟酶受到广泛关注,已成为新型仿生模拟酶开发的重点方向。在G-四链体/hemin领域,由分子内G四链体/hemin形成的DNA模拟酶已在生物催化、生物传感等领域得到广泛应用,但其热稳定性差,无法用于极端环境。基于四条链形成的四元G四链体具有很好的热稳定性,鞠熀先教授研究组通过对四元G四链体的末端进行碱基修饰,并对反应的离子进行筛选,提高hemin和四元G四链体的结合能力,发现了一种新型嗜热的高活性G-四链体/hemin DNA酶。该工作在四元G四链体的末端修饰上不同的碱基,发现腺嘌呤可以大幅度的提高DNA酶的催化活性,为提高反应温度进行模拟酶催过功能如活化能、pH依赖性等的研究奠定了基础。末端修饰腺嘌呤的四元G四链体结构在高温下不仅可以稳定存在,也可保持与hemin的结合能力及形成模拟酶后的催化活性。该工作探索了该嗜热DNA酶在高温下的潜在应用:可以有效地去除污水中对人体有害的有机小分子,在不同的有机溶液中该酶也同样具有高的催化活性。

南京大学现代工程与应用科学学院生物医学系魏辉教授课题组致力于研究纳米材料与生物分子之间的相互作用,并力图利用这些相互作用实现功能化的纳米材料在生物医学以及生物传感中的应用。在先前的工作中,他们通过在碳纳米材料上自组装具有电化学活性的小分子作为内参,并结合碳纳米材料对抗坏血酸优良的催化性能,实现了对活动物脑内抗坏血酸的高灵敏、高选择性测定(Anal. Chem., 2015, 87, 8889)。另一方面,他们巧妙利用功能化的DNA分子在溶液中含有K 的状态下易于形成正平行结构且该结构能够高效增强卟啉类物质荧光的特点,发展了一种基于DNA技术的,可用于同时检测活动物组织内的K 和原卟啉的分析方法(Anal. Chem., 2016, 88, 2937)。

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最近,该课题组研究人员及其合作者发现利用超分子自组装技术,他们可以实现同时将天然酶分子葡萄糖氧化酶以及能够模拟其他天然过氧化物酶的化学催化剂血红素包裹在金属有机框架化合物ZIF-8中。这种通过一步法制得的生物纳米催化剂被称之为“集成式纳米模拟酶”(integrated nanozymes)。当这种纳米模拟酶被加入到含有葡萄糖以及显色剂的溶液中时,葡萄糖被纳米材料中的葡萄糖氧化酶氧化产生过氧化氢。生成的过氧化氢随即在周围的血红素的催化下氧化显色剂,使得反应试剂变色,实现对葡萄糖的可视化检测。由于这两种催化剂被集成在一个有限的纳米空间内部,中间产物的扩散得到了极大的抑制,从而大大提高了整体的催化效率。此外,与游离的天然酶相比,这种“集成式纳米模拟酶”也表现出了更好的热稳定性以及循环使用的能力。通过南京大学现代工程与应用科学学院与南京大学鼓楼医院及美国Emory大学合作,他们利用该“集成式的纳米模拟酶”成功实现了活动物脑内葡萄糖浓度的实时、动态观测。该工作发表在最新一期美国《分析化学》杂志上(Anal. Chem., 2016, 88, 5489–5497)。

图1. 嗜热G-四链体/hemin DNA酶在不同温度下催化底物反应的示意图

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图1. “集成式纳米模拟酶”用于脑化学研究。

图2. 嗜热G-四链体/hemin DNA酶在不同温度下的催化活性及热稳定性研究

该工作发表后得到了广泛关注,被phys.org以“Integrated nanozymes for brain chemistry”进行了报道。

鞠熀先教授研究组专注于仿生分子识别、仿生催化与信号放大研究,在973计划、国家自然科学基金等项目资助下提出了多种仿生分子识别体系与信号放大策略,将仿生催化模拟酶用于生物传感,建立了系列性的生物分子高效检测方法。在G-四链体/hemin领域,他们将其催化活性与该组首创的量子点电子化学发光传感结合,提出了蛋白质标志物的超灵敏电致化学发光免疫分析方法;将G-四链体/hemin与临位触接反应结合,建立了DNA与蛋白质标志物的多种化学发光成像检测方法。近期,该组系统地开展提高G-四链体/hemin DNA酶活性的研究工作(Chem. Eur. J. 2017, 23, 4210-4215),揭示了G-四链体的构效关系(J. Am. Chem. Soc. 2017, 139, 7768-7779)。

这些研究工作得到了国家青年千人计划、国家自然科学基金、江苏省自然科学基金、江苏省双创计划、南京大学启动基金、青年973等的资助。

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