厦大&南方医科大Small: 高温碳化将丝素蛋白热解为高活性含氮碳基纳米酶

youyoucao 4年前 (2020-10-09) 6096浏览

前言

酶作为一种高效的生物催化剂，能够在温和的条件下，以高的底物特异性、选择性和效率催化各种反应。然而，天然酶在极端条件下的变性、降解，难于回收以及制备和纯化成本高等缺点，极大地限制了其实际应用。因此，人们在开展“取天然酶之长，避其所短”的模拟酶研究付出了巨大努力。自从2007年首次发现Fe3O4纳米颗粒具有类过氧化物酶活性以来，科研人员就将具有本征酶活性的功能性纳米材料定义为纳米酶。并且希望纳米酶能够成为仿生酶领域的新力军。在报道的各类纳米酶中，碳基纳米酶因其独特的理化性能，优秀的稳定性和低成本吸引了众多科研工作者的兴趣。

成果简介

近期，厦门大学林友辉课题组和南方医科大学周东方课题组合作在国际著名期刊Small上发表了题为“High Carbonization Temperature to Trigger Enzyme Mimicking Activities of Silk-Derived Nanosheets”的文章，并被选为该期的Back cover。文章首次报道了以丝素蛋白作为前驱体经过高温碳化，成功制备了碳基纳米酶。研究结果表明低温碳化的丝素蛋白几乎是没有酶活性的，只有碳化温度上升至700 °C以上，碳化丝素蛋白的类酶活性才会被迅速激发。这一现象与在高温时其结构中石墨化程度的加深，石墨型氮含量比例的增高以及乱层碳的出现有关。此外，所制备的碳基纳米酶在近红外光照下表现出优异的光热转换效率，溶液温度在5 min 内可以从28 °C上升到54 °C。结合独特的仿生催化活性和光热效应，将碳化丝素蛋白仿生酶进一步应用到癌细胞的光热-催化协同治疗。

图文导读

图1. 蚕丝碳基纳米酶构建及其活性对碳化温度的依赖性

蚕丝碳基纳米酶合成以及其活性对温度的依赖性示意图

图2. 蚕丝基碳材料的结构表征

(a) TEM图像；

(b) XRD;

(c) 拉曼光谱；

(d) XPS全谱；

(e-f) 高分辨N 1s 和 C 1s XPS谱。

图3. 蚕丝基碳材料的模拟氧化酶活性

(a) 类氧化酶活性的示意图；

(b) 不同条件下底物TMB的紫外可见吸收谱和颜色；

(c) 不同pH下的类氧化酶活性；

(d) 类氧化酶活性的温度依赖性；

(e) 不同浓度蚕丝基碳材料的紫外可见吸收谱；

(f) 类氧化酶活性动力学。

图4. 蚕丝基碳材料的类过氧化物酶活性

(a) 类过氧化物酶活性示意图；

(b) TMB溶液在不同条件下的吸收光谱；

(c) 不同pH条件下蚕丝基碳材料的类过氧化物样活性;

(d) 类过氧化物活性的温度依赖性；

(e-f) 基于TMB和基于H2O2的动力学。

图5. 碳化温度对蚕丝基碳材料的类酶活性和微观结构的影响

(a) 不同碳化温度的XRD衍射谱；

(b) 拉曼光谱；

(c) 石墨化N和吡啶N的比值;

(d) 不同碳化温度下蚕丝基碳材料的类氧化酶和过氧化物酶活性的变化。

图6. 光热转换效率及其对模拟酶活性的影响

(a) 在不同时间(0-5 min)的近红外(808 nm, 0.8 W cm-2)照射下的光热图像;

(b) 近红外照射下溶液的温度变化；

(c-d) 近红外照射下蚕丝碳基纳米酶的类氧化酶和过氧化物酶活性变化。

图7. 体外肿瘤治疗活性

(a) 近红外处理Hela细胞和(b) MCF-7细胞的存活率;

(c) Hela细胞和MCF-7细胞的IC50 值；

(d) Calcein AM和PI包含Hela细胞经过不同处理后的荧光显微镜图像。绿色和红色分别代表活细胞和死细胞。

结论

综上所述，通过经过简单的热处理，使不具备酶活性，但含有丰富的氨基的丝素蛋白转化为具有类酶活性的含氮碳基纳米酶。文章研究结果表明得到的纳米酶类酶活性高度依赖于碳化温度。在低温碳化时，所得碳化材料几乎是没有酶活性，而当碳化温度上升至700 °C以上，其类酶活性被迅速激发。这一现象与在高温时其结构中石墨化程度的加深，石墨型氮含量比例的增高以及乱层碳的出现有关。此外，所制备的碳基纳米酶在近红外光照下表现出优异的光热转换效率，溶液温度能够在5 min 之内从28 °C上升到54 °C。基于此，研究人员充分利用碳化丝素蛋白得到碳基纳米酶的光热效应和酶活性，将碳化丝素蛋白仿生酶进一步应用到癌细胞的光热-催化协同治疗。

文献链接：

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

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

团队介绍

林友辉博士现任厦门大学物理系副教授，博士生导师，福建省柔性功能材料重点实验室副主任，生物物理学会纳米酶分会委员。主要从事软物质与生物物理研究领域。至今已发表学术论文 64 篇，被引用 4000余次，H因子28。其中以第一或通讯作者已在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) 等高水平刊物上发表论文 31 篇。曾获得福建省杰出青年基金项目资助，中国科学院优秀博士论文，中科院院长优秀奖，唐敖庆奖学金等奖励。研究成果被 Nat. Rev. Mater., PNAS, Adv. Mater., Nano Lett.等杂志高频引用并亮点评价。

周东方博士，南方医科大学药学院教授，博士生导师。主要从事高分子(金属、基因、蛋白)药物可控递送系统的纳米医学研究以及生物医用高分子材料的再生医学研究。2013.07-2019.12任中国科学院长春应用化学研究所高分子物理与化学国家重点实验室助理研究员，副研究员；2020.01起任南方医科大学药学院教授。近年来以通讯作者/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等学术期刊上发表工作40余篇，其中IF》20的3篇，IF》10的7篇；获授权中国发明专利6项；入选2020 Emerging Investigators of Journal of Materials Chemistry B；担任Bioactive Materials (IF=8.72)的Special Issue Guest Editor。

本文由厦门大学林友辉课题组投稿。

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