用于靶向抗生素膜治疗的时空引导单原子生物酶

医学研究面临的关键挑战之一，就是如何有效治疗细菌生物膜感染。细菌在生物膜中形成高度异质和动态的微环境,使其能够抵御抗生素和免疫细胞的攻击。近年来,纳米酶催化疗法显示出治疗生物膜感染的潜力,但现有纳米酶无法精准定向作用于复杂的生物膜微环境。

最新研究中,科研团队提出了一种空间时间可控的单原子生物纳米酶(BioSAzyme),能够精准靶向和破坏细菌生物膜。这种单原子生物纳米酶通过蛋白质工程赋予了独特的生物亲和性和级联反应活性,大幅提升了单原子纳米酶的抗生物膜疗效。

方案一 蛋白质导向的单原子生物纳米催化使得生物膜响应的平行催化消毒具有时空精度

一、构建具有多酶活性的单原子纳米酶

研究团队采用绿色简便的机械化学法制备了三种铜基金属-有机框架(Cu-MOFs),分别为Cu-BDC、Cu-BTC和Cu-BTEC。通过在反应过程中加入二氰二胺作为客体分子,可以有效地捕获和稳定铜单原子,形成高度分散的2D铜单原子纳米催化剂(Cu SACs)。

电子显微镜表征结果显示,Cu SACs呈现出典型的单原子分散在石墨烯状碳载体上的特征,没有观察到任何金属纳米颗粒。X射线吸收光谱分析进一步证实,Cu SACs中的铜原子以Cu-N₄配位环境的形式存在。这种单原子分散的结构为Cu SACs提供了高度暴露和高效的活性位点。

研究人员评估了Cu SACs的过氧化物酶(POD)样活性,发现其POD活性明显优于其他铜基材料,其中Cu SAC-BDC表现最为出色。进一步的动力学分析表明,Cu SAC-BDC的催化效率优于多数已报道的铜基纳米酶。除了POD样活性,Cu SAC-BDC还表现出良好的葡萄糖氧化酶(GOX)和蛋白酶样活性。这种多酶样活性使Cu SAC-BDC能够实现级联催化反应,为生物膜靶向治疗提供可能。

二、构建时空可控的单原子生物纳米酶

单独的多酶样催化活性并不能满足针对生物膜的精准治疗,关键在于如何有效定位和作用于复杂的生物膜微环境。为此,研究团队通过蛋白质工程赋予Cu SAC-BDC生物亲和性和响应性,构建出BioSAzyme。

具体来说,研究团队利用大豆凝集素A(ConA)赋予BioSAzyme特异性结合生物膜内源性多糖的能力,使其能够定位到生物膜的糖基层。同时,BioSAzyme还继承了葡萄糖氧化酶的生物活性,能够将生物膜中的内源性葡萄糖转化为过氧化氢(H₂O₂)和葡萄糖酸,从而引发一系列级联反应。这些级联反应不仅能耗竭生物膜中的谷胱甘肽(GSH),还能产生羟基自由基(•OH)等活性氧物种,实现多重杀菌效应。

这种时空可控的BioSAzyme不仅能通过生物亲和性有效靶向和渗透进入生物膜,还可以在生物膜微环境中响应性地触发级联催化反应,精准打击细菌。体外和体内实验结果显示,BioSAzyme对大肠埃希杆菌O157:H7和耐甲氧西林金黄色葡萄球菌的生物膜具有显著的抑制作用。

三、单原子催化的新思路

该工作提出了一种新颖的单原子生物纳米酶设计策略,为精准治疗难治性生物膜感染开辟了新思路。与传统纳米材料相比,BioSAzyme具有以下关键优势:

1、高度分散的单原子活性位点,提供了优异的催化性能。通过绿色简单的机械化学合成法,可以制备出Cu-N₄单原子结构,大幅提升了POD、GOX和蛋白酶样活性。

2、生物亲和性和响应性的精准定向。通过蛋白质工程的方式,BioSAzyme获得了对生物膜糖基层的特异性结合能力,并能够在生物膜微环境中触发级联杀菌反应。

3、多酶样活性的协同杀菌效应。BioSAzyme同时具备POD、GOX和蛋白酶样活性,能够耗竭生物膜中的GSH,产生羟基自由基等多种活性氧物种,从而实现多重抗菌机制。

该研究为单原子纳米酶的精准设计提供了新思路,开拓了单原子催化在生物医用领域的新应用。我们期待这一技术在未来能够推动感染性疾病的个体化精准治疗,造福广大患者。

图1 a)合成过程，b) TEM图像，和c)Cu酶的HAADF-STEM图像。d)在(c)中用红色矩形标记的Cu原子之间距离的线扫描强度分布。e)来自(c)中黄色正方形的原子重叠高斯函数拟合映射。(i-iii)分别代表Cu SAC-BDC, Cu SAC-BTC,和Cu SAC-BTEC样品。f)为SAzyme-BDC样品收集的元素分布绘图图像。比例尺为1 μm。

图2 Cu SAzyme的类酶活性

图3 生物酶的构建及其纳米酶活性

图4 生物酶的抗菌膜活性及其机理

图5 生物酶促进伤口愈合的抗菌膜活性

参考文献：DOI: 10.1002/smll.202407747