低温可适应单原子铁纳米酶抑制冷链传播中的病毒

原创

来源：曹璐璐

2024-12-27 09:29:05

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核心提示：本研究团队致力于开发一种性能出色的低温适应性广谱抗病毒纳米酶,能在冷链环境中高效灭活多种包膜病毒。

最近几年里,新发或再次出现的冠状病毒、流感病毒等致病性强的包膜病毒不断引发严重的公共卫生危机。这些病毒具有强感染性和高传播力,尤其在寒冷季节更是如此。冷链物流在运输新鲜农产品时提供了理想的低温环境,却也为这些病毒提供了生存繁衍的温床。如何有效阻断冷链环节中病毒的传播,成为迫在眉睫的问题。

本研究团队致力于开发一种性能出色的低温适应性广谱抗病毒纳米酶,能在冷链环境中高效灭活多种包膜病毒。他们通过向Fe-N-C中心添加磷原子,制备出FeN₄P₂单原子纳米酶(FeN₄P₂-SAzymes)。这种纳米酶不仅在-20℃和4℃等低温下仍能保持强大的过氧化酶(POD)样活性、过氧化物酶(OXD)样活性和过氧化氢酶(CAT)样活性,而且对人类冠状病毒、猪冠状病毒、禽流感病毒等多种类型的包膜病毒具有广谱抑制作用。

FeN₄P₂-SAzymes的独特之处在于,它们能够通过催化病毒脂质膜的过氧化反应,破坏病毒的完整性,从而实现对病毒的高效杀灭。与传统的化学消毒剂相比,FeN₄P₂-SAzymes在低温环境下同样能够发挥强大的抗病毒功能,为冷链运输和储存环节的病毒防控提供了全新的解决方案。

下面我们一起来深入了解这项新型抗病毒纳米材料的研究进展。

I. 结构特征和低温多酶模拟活性

研究团队采用溶剂热法制备了FeN₄P₂-SAzymes,并利用扫描电镜(SEM)、高角度环形暗场扫描透射电镜(HAADF-STEM)等手段对其结构进行了表征。结果显示,FeN₄P₂-SAzymes呈球形结构,Fe、N、C和P元素在纳米酶内部均匀分布。X射线光电子能谱(XPS)分析证实,Fe原子以Fe²⁺和Fe³⁺的形式掺杂在碳基底中,并与N原子配位形成FeN₄结构。进一步的X射线吸收光谱(XANES和EXAFS)表明,Fe原子以单原子的形式分散在FeN₄P₂-SAzymes中,没有Fe-Fe配位,这种高度分散的单原子结构有利于提高催化活性。

FeN₄P₂-SAzymes不仅在室温下表现出高于FeN₄和Fe₃O₄的POD样和OXD样活性,而且在-20℃和4℃等低温条件下,这些多酶模拟活性也几乎没有降低。值得注意的是,FeN₄和Fe₃O₄在低温下的POD样和CAT样活性明显下降,这突出了FeN₄P₂-SAzymes优异的低温适应性。密度泛函理论(DFT)计算表明,添加P原子改变了FeN₄P₂-SAzymes中Fe活性中心的电子结构,使其在吸附O₂并实现电子转移反应时更加容易,从而提高了OXD样活性。

II. 广谱抑制多种包膜病毒的能力

病毒脂质膜是包膜病毒的保护层,也是病毒侵染宿主细胞的关键。研究人员发现,FeN₄P₂-SAzymes能有效催化病毒脂质膜的过氧化反应,从而破坏膜结构,导致包膜病毒颗粒的解体和失活。

在体外实验中,FeN₄P₂-SAzymes表现出优异的广谱抗病毒活性,可以有效抑制人类冠状病毒(SARS-CoV-1和SARS-CoV-2)、猪三角冠状病毒(PDCoV)以及H1-H11亚型的流感病毒。这些病毒都是典型的包膜RNA病毒,具有很强的感染力和传播性。尤其值得一提的是,这些病毒的表面蛋白(如冠状病毒的刺突蛋白和流感病毒的血凝素及神经氨酸酶)往往会发生突变,使疫苗和药物治疗失去效果。而FeN4P2-SAzymes通过作用于保守的病毒脂质膜,实现了对这些变异病毒的有效杀灭,为应对未来病毒的持续演化提供了有效的预防和控制策略。

III. 在冷链环境中的应用前景

冷链物流是病毒通过低温环境扩散的主要通道。研究团队模拟了冷链运输的环境条件,发现FeN₄P₂-SAzymes不仅能在-20℃和4℃等低温下保持强大的抗病毒活性,而且可以作为涂层应用于外包装和个人防护装备的表面,有效阻断病毒在冷链过程中的传播。这为解决当前SARS-CoV-2和流感病毒通过冷链传播的问题提供了重要的技术支撑。

相比传统的化学消毒剂,FeN₄P₂-SAzymes在低温环境下依然能够保持良好的抗病毒性能,不会因为温度过低而失去效果。此外,FeN₄P₂-SAzymes还具有制备简单、成本低廉、稳定性好等优点,为在冷链领域开发新型抗病毒材料提供了重要参考。

总之,这项基于单原子铁纳米酶的研究成果,不仅在理论上阐明了Fe单原子活性中心的优势,还在实践中展现了其在低温环境下抑制多种病毒传播的卓越性能。相信随着进一步的应用开发,FeN₄P₂-SAzymes必将成为构建安全高效的冷链防疫体系的关键材料,为应对未来可能出现的病毒性疾病爆发提供有力保障。