巧借空间结构优化单原子酶,多酶样催化大幅提升抗菌性能

原创

来源：曹璐璐

2024-12-20 19:36:20

175次浏览

核心提示：研究团队提出在M-N4中心引入空间轴向硼(B)配体,巧妙调控活性中心的电子结构,大幅提升Fe-B/N-C单原子酶的多酶样催化性能和抗菌治疗效果。

牙周炎是一种常见的慢性炎症性疾病,由于细菌侵入牙周组织而引起。如果不及时治疗,可能会导致牙龈萎缩、牙槽骨吸收、牙齿丧失等严重并发症。目前临床上常采用机械刮治结合局部应用抗生素的方法来消除致病菌。尽管这种方法有一定疗效,但操作繁琐,且长期使用抗生素容易导致耐药性和肠道菌群失衡等副作用。因此,迫切需要开发一种无创、无抗生素的新型治疗策略,快速杀灭口腔致病菌,促进牙周组织修复,有效管理牙周炎。

近年来,基于纳米酶的抗菌治疗引起了广泛关注。纳米酶通过催化转化O₂或H₂O₂产生活性氧自由基(ROS),有效杀灭细菌并破坏生物膜。其中,碳基单原子纳米酶(M-Nx SAzymes)展现出良好的抗菌潜力,主要得益于其最优的原子利用率和可调的电子结构。此外,这类碳材料还具有出色的光热效应,在光热抗菌治疗中也表现优异。然而,M-N₄活性中心对中间体的吸附和激活受限,其酶样催化活性和治疗效果仍有待提升。

针对上述挑战,研究团队提出在M-N₄中心引入空间轴向硼(B)配体,巧妙调控活性中心的电子结构,大幅提升Fe-B/N-C单原子酶的多酶样催化性能和抗菌治疗效果。该工作发表在《Advanced Functional Materials》上,为利用结构调控策略优化单原子酶活性提供了新思路。

首先,研究团队采用分步法成功合成了Fe-B/N-C单原子酶。具体步骤如下:

先通过化学沉淀法制备Fe掺杂的ZIF-8(Fe/ZIF-8)纳米晶体,金属Fe位点引入至ZIF-8孔道中。

将Fe/ZIF-8浸泡在含有5-硼代邻苯二甲酸的甲醇溶液中,5-硼代邻苯二甲酸配体通过配体置换反应被引入到Fe/ZIF-8表面,形成Fe/ZIF-8@5-bop核壳结构。

最后,对Fe/ZIF-8@5-bop样品进行高温炦烧,得到Fe-B/N-C单原子酶。这一过程中,Fe-N₄活性中心受到空间轴向硼配体的精准修饰。

电镜表征结果显示,Fe-B/N-C具有富含孔洞的分层结构,Fe原子高度分散于碳基底上。X射线光电子能谱(XPS)和X射线吸收细构分析(XAFS)进一步确认了Fe-B配位环境的存在,Fe-B键长约为1.99 Å,Fe原子的配位数为N₄+B。相比之下,单纯的Fe-N-C SAzymes仅含有典型的铁基N₄配位环境。

根据酶动力学分析结果,Fe-B/N-C单原子酶的过氧化物酶(POD)和过氧化氢酶(CAT)样活性明显增强。具体地,其POD和CAT样活性的催化效率(k_cat/K_m)分别提高了6.03和2.91倍。密度泛函理论计算表明,引入空间轴向硼配体可以改变Fe-N₄配位中心的电子密度分布,有利于H₂O₂的异裂,同时优化了氧中间体的吸附-解吸行为,降低了其脱附所需的能垒。这些因素共同促进了Fe-B/N-C SAzymes多酶样活性的大幅提升。

此外,Fe-B/N-C SAzymes还具有出色的光热效应。在可见光照射下,它们能够快速产生大量ROS,实现化学动力学治疗(CDT)和光热治疗(PTT)的协同增效。体外抗菌实验表明,Fe-B/N-C SAzymes对多种牙周致病菌如铜绿假单胞菌、白色念珠菌等表现出优异的杀灭活性,远优于单一的化学动力学或光热疗法。

总的来说,研究团队首次设计了具有空间轴向硼配体的单原子酶,通过微调活性中心的配位环境,大幅提升了其多酶样催化性能和治疗效果。这一新颖的结构调控策略为优化单原子酶催化活性,实现高效治疗牙周炎提供了有益思路。以下是更多研究亮点:

1. 巧妙构筑Fe-B/N-C单原子酶

研究团队采用分步法成功构筑了Fe-B/N-C单原子酶。其中关键步骤包括:先通过化学沉淀法将Fe引入ZIF-8孔道,形成Fe/ZIF-8;随后,将Fe/ZIF-8浸泡在含有5-硼代邻苯二甲酸的溶液中,5-bop配体通过配体置换反应被引入到Fe/ZIF-8表面,得到Fe/ZIF-8@5-bop核壳结构;最后,对Fe/ZIF-8@5-bop进行高温炦烧,Fe-N4活性中心上引入空间轴向硼配体,得到Fe-B/N-C单原子酶。这一独特的设计将Fe-N4配位中心精准修饰,为后续研究提供了理想平台。

2. 空间轴向硼配体调控Fe-N₄活性中心

通过XPS和XAFS表征,研究团队确认了Fe-B/N-C单原子酶中Fe原子呈现Fe-B/N₄配位环境,Fe-B键长约为1.99 Å。这种与传统2D平面Fe-N₄配位不同的3D结构,为重新塑造Fe中心周围的电子分布提供了独特契机。理论计算表明,引入空间轴向硼配体可以优化Fe-N₄活性中心的电荷分布,有利于H₂O₂的异裂和氧中间体的脱附,从而大幅提升了酶样催化性能。

3. Fe-B/N-C单原子酶展现出优异的多酶样活性

与单纯的Fe-N-C SAzymes相比,Fe-B/N-C SAzymes的过氧化物酶和过氧化氢酶样活性分别提高了6.03和2.91倍。更为关键的是,Fe-B/N-C单原子酶还具有出色的氧化酶样活性,可以快速将O2转化为氧自由基和单线态氧,与POD和CAT样活性形成协同放大效应。这种多酶样催化特性使Fe-B/N-C SAzymes能够高效产生ROS,在消毒杀菌中发挥重要作用。

4. Fe-B/N-C单原子酶实现化学-光热联合治疗

Fe-B/N-C单原子酶不仅具有优异的多酶样催化活性,还显示出高效的光热效应。在可见光照射下,它们能够迅速产生大量ROS,实现化学动力学治疗和光热治疗的协同增效。体外抗菌实验表明,Fe-B/N-C SAzymes对多种牙周致病菌具有出色的杀灭活性,远优于单一的化学动力学或光热疗法。这种集多酶样催化、光热效应和抗菌于一体的独特设计,为牙周炎高效治疗提供了新的解决方案。

总之,该研究成功构建了具有空间轴向硼配体的单原子酶,通过调控Fe-N₄活性中心的电子结构,大幅提升了其多酶样催化活性。同时,Fe-B/N-C SAzymes还展现出出色的光热效应,实现了化学-光热联合治疗,显著增强了对牙周致病菌的杀灭效果。这一结构调控策略为优化单原子酶催化性能,发展高效的牙周炎治疗方案提供了新思路,对于推动纳米酶在生物医药领域的应用具有重要意义。