廈大&南方醫科大Small: 高溫碳化將絲素蛋白熱解為高活性含氮碳基納米酶

youyoucao 3年前 (2020-10-09) 5414瀏覽

前言

酶作為一種高效的生物催化劑，能夠在溫和的條件下，以高的底物特異性、選擇性和效率催化各種反應。然而，天然酶在極端條件下的變性、降解，難于回收以及制備和純化成本高等缺點，極大地限制了其實際應用。因此，人們在開展“取天然酶之長，避其所短”的模擬酶研究付出了巨大努力。自從2007年首次發現Fe3O4納米顆粒具有類過氧化物酶活性以來，科研人員就將具有本征酶活性的功能性納米材料定義為納米酶。并且希望納米酶能夠成為仿生酶領域的新力軍。在報道的各類納米酶中，碳基納米酶因其獨特的理化性能，優秀的穩定性和低成本吸引了眾多科研工作者的興趣。

成果簡介

近期，廈門大學林友輝課題組和南方醫科大學周東方課題組合作在國際著名期刊Small上發表了題為“High Carbonization Temperature to Trigger Enzyme Mimicking Activities of Silk-Derived Nanosheets”的文章，并被選為該期的Back cover。文章首次報道了以絲素蛋白作為前驅體經過高溫碳化，成功制備了碳基納米酶。研究結果表明低溫碳化的絲素蛋白幾乎是沒有酶活性的，只有碳化溫度上升至700 °C以上，碳化絲素蛋白的類酶活性才會被迅速激發。這一現象與在高溫時其結構中石墨化程度的加深，石墨型氮含量比例的增高以及亂層碳的出現有關。此外，所制備的碳基納米酶在近紅外光照下表現出優異的光熱轉換效率，溶液溫度在5 min 內可以從28 °C上升到54 °C。結合獨特的仿生催化活性和光熱效應，將碳化絲素蛋白仿生酶進一步應用到癌細胞的光熱-催化協同治療。

圖文導讀

圖1. 蠶絲碳基納米酶構建及其活性對碳化溫度的依賴性

蠶絲碳基納米酶合成以及其活性對溫度的依賴性示意圖

圖2. 蠶絲基碳材料的結構表征

(a) TEM圖像；

(b) XRD;

(c) 拉曼光譜；

(d) XPS全譜；

(e-f) 高分辨N 1s 和 C 1s XPS譜。

圖3. 蠶絲基碳材料的模擬氧化酶活性

(a) 類氧化酶活性的示意圖；

(b) 不同條件下底物TMB的紫外可見吸收譜和顏色；

(c) 不同pH下的類氧化酶活性；

(d) 類氧化酶活性的溫度依賴性；

(e) 不同濃度蠶絲基碳材料的紫外可見吸收譜；

(f) 類氧化酶活性動力學。

圖4. 蠶絲基碳材料的類過氧化物酶活性

(a) 類過氧化物酶活性示意圖；

(b) TMB溶液在不同條件下的吸收光譜；

(c) 不同pH條件下蠶絲基碳材料的類過氧化物樣活性;

(d) 類過氧化物活性的溫度依賴性；

(e-f) 基于TMB和基于H2O2的動力學。

圖5. 碳化溫度對蠶絲基碳材料的類酶活性和微觀結構的影響

(a) 不同碳化溫度的XRD衍射譜；

(b) 拉曼光譜；

(c) 石墨化N和吡啶N的比值;

(d) 不同碳化溫度下蠶絲基碳材料的類氧化酶和過氧化物酶活性的變化。

圖6. 光熱轉換效率及其對模擬酶活性的影響

(a) 在不同時間(0-5 min)的近紅外(808 nm, 0.8 W cm-2)照射下的光熱圖像;

(b) 近紅外照射下溶液的溫度變化；

(c-d) 近紅外照射下蠶絲碳基納米酶的類氧化酶和過氧化物酶活性變化。

圖7. 體外腫瘤治療活性

(a) 近紅外處理Hela細胞和(b) MCF-7細胞的存活率;

(c) Hela細胞和MCF-7細胞的IC50 值；

(d) Calcein AM和PI包含Hela細胞經過不同處理后的熒光顯微鏡圖像。綠色和紅色分別代表活細胞和死細胞。

結論

綜上所述，通過經過簡單的熱處理，使不具備酶活性，但含有豐富的氨基的絲素蛋白轉化為具有類酶活性的含氮碳基納米酶。文章研究結果表明得到的納米酶類酶活性高度依賴于碳化溫度。在低溫碳化時，所得碳化材料幾乎是沒有酶活性，而當碳化溫度上升至700 °C以上，其類酶活性被迅速激發。這一現象與在高溫時其結構中石墨化程度的加深，石墨型氮含量比例的增高以及亂層碳的出現有關。此外，所制備的碳基納米酶在近紅外光照下表現出優異的光熱轉換效率，溶液溫度能夠在5 min 之內從28 °C上升到54 °C。基于此，研究人員充分利用碳化絲素蛋白得到碳基納米酶的光熱效應和酶活性，將碳化絲素蛋白仿生酶進一步應用到癌細胞的光熱-催化協同治療。

文獻鏈接：

High Carbonization Temperature to Trigger Enzyme Mimicking Activities of Silk-derived Nanosheets

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202004129

團隊介紹

林友輝博士現任廈門大學物理系副教授，博士生導師，福建省柔性功能材料重點實驗室副主任，生物物理學會納米酶分會委員。主要從事軟物質與生物物理研究領域。至今已發表學術論文 64 篇，被引用 4000余次，H因子28。其中以第一或通訊作者已在Sci. Adv. (1), Adv. Mater. (2), Adv. Funct. Mater. (2), Acc. Chem. Res. (1), J. Am. Chem. Soc. (1), Angew. Chem. Int. Ed (1), Trends Biotechnol. (1), Small (3), Chem. Sci. (1), ACS Appl. Mater. Inter. (2) 等高水平刊物上發表論文 31 篇。曾獲得福建省杰出青年基金項目資助，中國科學院優秀博士論文，中科院院長優秀獎，唐敖慶獎學金等獎勵。研究成果被 Nat. Rev. Mater., PNAS, Adv. Mater., Nano Lett.等雜志高頻引用并亮點評價。

周東方博士，南方醫科大學藥學院教授，博士生導師。主要從事高分子(金屬、基因、蛋白)藥物可控遞送系統的納米醫學研究以及生物醫用高分子材料的再生醫學研究。2013.07-2019.12任中國科學院長春應用化學研究所高分子物理與化學國家重點實驗室助理研究員，副研究員；2020.01起任南方醫科大學藥學院教授。近年來以通訊作者/第一作者在Advanced Materials、Nano Letters、ACS Nano、Progress in Polymer Science、Coordination Chemistry Review、Small、Journal of Controlled Release、Bioactive Materials等學術期刊上發表工作40余篇，其中IF》20的3篇，IF》10的7篇；獲授權中國發明專利6項；入選2020 Emerging Investigators of Journal of Materials Chemistry B；擔任Bioactive Materials (IF=8.72)的Special Issue Guest Editor。

本文由廈門大學林友輝課題組投稿。

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