本站訊（醫學部供稿）2021年1月7日，天津大學張曉東教授團隊在Nature子刊《Nature Communications》上發表研究成果，提出具有原子精確結構的團簇酶新概念，通過單原子替代實現對各種氧化還原酶的催化活性和選擇性的調控，達到媲美天然酶的抗氧化活性和高精準選擇性，並揭示了其對神經炎症的調控機制，該成果有望用於對神經系統疾病的早期幹預。
天然酶具有高催化活性和精準選擇性等優點，被廣泛應用於生物催化、重大疾病的診斷和治療中，但其在使用上受到價格昂貴、製備困難和催化溫度限制等缺點的限制。因此，科研人員提出了以納米酶為代表的人工酶解決方案，其具有製備方便、催化穩定性高等優勢。近年來，單原子納米酶因結構與天然的金屬蛋白酶類似，成為連接納米酶與天然酶之間的橋梁。然而，如何在原子水平進行大規模的精準構建，設計得到具有超高催化活性和選擇性的人工酶、並可精確理解其構效關係，這依然面臨著巨大的挑戰。1950年，著名的物理學家、諾貝爾獎得主費曼曾預言納米技術的前景：「人們可以在原子水平對材料的性質進行自由的控制」。這是最早關於在原子水平進行物理化學性質調控的展望，到今天依然是科研人員所追求的目標。
基於理論分析，張曉東教授團隊提出「團簇酶（Clusterzyme）」的概念。通過單原子調控的方法合理設計合成了一種具有原子精確結構的高催化活性和選擇性的人工酶，即3-巰基丙酸穩定的Au25團簇，並結合酶的種類和活性首次把這類人工酶命名為「團簇酶」。團簇酶克服了傳統人工酶催化活性較低的缺點，其抗氧化活性是天然抗氧化劑Trolox的160倍，是目前已知抗氧化活性第三高的花青素分子的9倍。此外，通過使用Cd和Cu的單原子對團簇酶表面的Au原子進行替代，可以實現對穀胱甘肽過氧化物酶（GPx）、過氧化氫酶（CAT）、超氧化物歧化酶（SOD）和氮相關信號分子的催化選擇性。純的Au25表現出優異的類GPx活性，Au24Cu1在類CAT活性方面具有明顯優勢，而Au24Cd1具有類SOD活性。
與結構不明確的傳統人工酶不同，團簇酶具有明確的分子結構，使得研究團隊能區分催化活性位點，並深入觀察其電子結構和反應能。通過密度泛函理論研究發現，團簇酶催化活性來自於Cu-S和Cd-S單原子催化活性位點；同時，催化反應路徑受Cd-S/Cu-S鍵長的調控，使其具有超高催化活性和選擇性。利用團簇酶高催化活性和底物選擇性的特點，研究團隊成功地建立了小鼠腦損傷中的氧化應激和神經炎症之間的關係。生物學結果顯示，Au24Cd1團簇酶優先使用超氧化物和含氮信號分子作為底物，通過抑制IL-6和IL-1β蛋白來減輕神經炎症；而Au24Cu1團簇酶通過催化反應降低損傷腦中的過氧化物，顯著降低了炎症因子TNFα，由此表明團簇酶在抗神經炎症方面具有選擇性。同時，由於團簇酶具有天然超小尺寸的特點，可由腎臟進行清除，避免造成長期的肝毒性以及多器官損傷。因此，團簇酶在生物醫學，特別是在神經科學和工程領域，具有廣泛的應用前景。
上述研究成果以「Catalytically Potent and Selective Clusterzymes for Modulation of Neuroinflammation Through Single-Atom Substitutions」為題於2020年1月7日在線發表在Nature子刊《Nature Communication》上(https://www.nature.com/articles/s41467-020-20275-0)。該論文的第一單位為天津大學，張曉東教授為該論文的唯一通訊作者；劉海樂博士為該論文的第一作者，李永徽副教授和孫思博士為共同第一作者。
（編輯 焦德芳 陳錚傑）