近日，中國科學院生物物理研究所/中科院納米酶工程實驗室研究員高利增、範克龍和中科院院士閻錫蘊團隊通過整合納米酶的結構和功能特點，仿照天然酶的活性中心和輔因子的協同作用，設計了一種能夠模擬過氧化物酶體內多種天然酶活性的納米酶，並基於此納米酶構建了一種可在生理條件下工作的人工過氧化物酶體（artificial peroxisome），並將其用於改善高尿酸血症和缺血性中風的治療。
研究團隊早期發現Fe3O4納米材料具有過氧化物酶活性，推動了納米酶領域的快速發展。此後，該團隊一直致力於高活性納米酶的設計和開發，尤其是借鑑天然酶催化活性中心的結構和催化機理，不斷將天然酶仿生的理念引入納米酶。首先，天然過氧化物酶的活性部位核心-鐵原子周圍的組氨酸介導了H2O2在活性位點的定位，並有助於催化反應的啟動。受此啟發，該團隊在2017年合成了一系列胺基酸修飾的Fe3O4納米酶，並發現組氨酸殘基的修飾顯著提高了Fe3O4納米酶的類過氧化物酶活性。隨後，通過模擬卟啉環結構，設計合成了一種氮元素摻雜的碳球納米酶，並發現該納米酶具有氧化酶、過氧化物酶、超氧化物歧化酶和過氧化氫酶四種類酶活性。2019年，團隊直接仿照天然過氧化物酶中金屬卟啉環的配位結構，利用金屬有機框架（MOF）材料ZIF-8為前驅體，設計合成了一種含有Zn卟啉結構的高活性單原子碳納米酶。構效關係分析表明該碳納米酶中的單Zn原子及其類卟啉的配位結構是其發揮高效類酶活性的關鍵。以上研究證實了模擬天然酶活性中心及其周圍微環境的結構特點來設計和優化納米酶的是一種切實可行的策略。
本研究工作是上述研究的延伸和拓展。仿照天然酶的活性中心和輔因子的結構特點和協同作用，在氮摻雜碳納米酶結構基礎上進一步引入Fe元素，以期其能夠形成與天然酶輔助因子類似的Fe-N配位結構。在材料合成之後，一系列的表徵結果顯示Fe和N成功地被摻雜在了中空碳球的結構中，且摻雜的Fe和N元素在碳層中形成了Fe-N4的配位雜環結構。該結構與天然酶輔助因子中鐵卟啉的結構特徵非常相似。此外，這種納米酶表面還具有由鐵原子形成的Fe團簇結構。以Fe團簇為輔助因子，Fe-N4為輔基，這種構建得到的新型納米酶具有穩定的多種類酶活性，包括過氧化氫酶、尿酸氧化酶、超氧化物歧化酶、過氧化物酶和氧化物酶。相比於氮摻雜納米酶，新型納米酶的每種類酶活性都得到了顯著提升。其中，超氧化物歧化酶的活性達到1000 U/mg，催化活力可與天然酶相媲美。
這種具有多酶活性的納米酶與細胞內的過氧化物酶體有著諸多相似之處。過氧化物酶體是一種由單層膜包起來的異質性細胞器，在真核細胞中廣泛存在，其特徵酶是過氧化氫酶、尿酸氧化酶等，發揮著調節氧濃度、抗氧化、解毒和脂肪酸氧化等重要的生物學功能。正是由於有著重要的生理學作用，以往研究一直嘗試著將過氧化物酶體用於疾病的治療之中。然而，過氧化物酶體本身很難提取，而傳統的人工過氧化物酶體開發策略又存在著製備複雜、裝載天然酶活性受限、穩定性差等問題，無法在生理環境下正常工作。所以，利用過氧化物酶體來治療疾病的研究一直停留在概念驗證的細胞實驗層面。而在本工作中設計的新型納米酶具有的幾種類酶活性都是過氧化物酶體中重要的特徵酶相似，而且穩定性高，活性位點位於納米結構表面更有利於催化反應，因此有望被用作人工過氧化物酶體用於體內相關疾病的治療。此外，由於這種納米酶具備了與過氧化物酶體類似的功能，並且多個活性之間能夠串聯反應，研究人員將其稱為納米酶體（nanozysome），以區別於以往單一活性為主的納米酶。
本工作基於新設計的納米酶體構築了人工過氧化物酶體。這種人工過氧化物酶體通過尿酸氧化酶/過氧化氫酶、超氧化物歧化酶/過氧化氫酶之間的級聯反應，實現了對動物高尿酸血症和缺血性中風模型的有效治療。這項研究表明，這種人工過氧化物酶體是一種可以穩定高效地執行體內多種功能的人工細胞器。值得強調的是，本研究所構建的人工過氧化物酶體與已有報導的單原子納米酶不同，在該人工過氧化物酶體中，Fe-N4單原子結構和鐵團簇之間的協同作用是獲得高催化活性的關鍵。因此，通過對碳納米酶的多元素摻雜，可進一步實現對天然酶的仿生設計，從而獲得性能優越的人工過氧化物酶體，並將其應用於體內催化治療。
相關成果以A nanozyme-based artificial peroxisome ameliorates hyperuricemia and ischemic stroke為題發表在Advanced Functional Materials上。該工作由生物物理所和揚州大學合作完成，高利增、範克龍和閻錫蘊為本文通訊作者。揚州大學副教授奚菊群、生物物理所博士生張若飛為本文共同第一作者。該研究得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金等項目的資助。
論文連結
仿生設計納米酶模擬過氧化物酶體用於改善高尿酸血症和缺血性中風