【纳米PCN-222】微环境调控打破纳米酶固有pH限制以增强其活性

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摘要：
天津大学武江洁星和南京大学董昊、魏辉老师等报道的本篇文章（Nat Commun 15, 10861 2024）中提出了一种通过调控金属-有机框架（MOF）纳米酶的微环境pH值来克服其固有pH限制的策略。研究者们将聚酸或聚碱（作为Brønsted酸或碱）限制在MOF纳米酶的通道中，以改变其微环境pH值。实验和分子动力学模拟表明，聚丙烯酸（PAA）的限制不仅通过捐赠质子，还通过在中性pH条件下，聚丙烯酸的去质子化羧基与水合氢离子之间形成的盐桥来保持质子，从而降低了MOF纳米酶的微环境pH值，使其在pH 7.4时表现出最佳活性，解决了与酸变性的氧化酶耦合的级联系统中的pH不匹配问题。相反，聚乙烯亚胺（PEI）的限制增加了微环境pH值，增强了MOF纳米酶的水解酶样活性。这一策略为设计高性能纳米酶和纳米催化剂提供了新的途径。

研究背景：
1. 纳米酶作为一种具有酶模拟活性的功能性纳米材料，在生物分析、治疗、环境保护等领域有着广泛的应用前景。然而，纳米酶的催化活性强烈依赖于pH值，其最优pH值通常与实际应用中的工作pH值存在偏差，这限制了纳米酶的实际应用。例如，过氧化物酶样纳米酶在酸性pH下具有最佳活性，但在生理条件下（通常是中性pH）应用时，活性显著降低。
2. 尽管已有研究致力于设计高活性纳米酶，但目前仍缺乏一种普遍有效的策略来解决纳米酶的pH限制问题。
3. 受天然酶的启发，作者提出了一种微环境调控策略，通过引入羧基（Brønsted酸）捐赠质子和氨基（Brønsted碱）接受质子，分别降低和提高催化活性位点附近的微环境pH值，而不改变溶液的总体pH值。作者选择了金属-有机框架（MOFs）作为研究对象，因为MOFs具有与金属酶类似的特性，其金属节点和连接体可以作为催化活性位点，且其孔隙和通道易于修饰，为微环境pH值的精细调控提供了可能。

实验部分：
1.PCN-222-Fe NPs的制备：
   1) 将100 mg Fe-TCPP、300 mg ZrOCl2•8H2O和3.3 g BA溶解在100 mL DMF中，使用250-mL烧瓶。
   2) 将溶液转移到油浴中，在90 °C下加热5小时，轻轻搅拌。
   3) 冷却至室温后，通过离心（14,800 × g，20分钟）收集PCN-222-Fe NPs，并用DMF洗涤三次。
   4) 将得到的PCN-222-Fe NPs储存在4 °C下以供进一步使用。
2.PCN-222-Fe@PAA NPs的制备：
   1) 将等体积的0.5 mg/mL PCN-222-Fe NPs和1 mg/mL PAA混合，在室温下孵育30分钟。
   2) 最终浓度分别为0.25 mg/mL的PCN-222-Fe NPs和0.5 mg/mL的PAA。
   3) 对于活性测量，孵育后直接使用混合物。对于表征（如SEM、TEM、DLS、zeta电位和XPS光谱），PCN-222-Fe@PAA NPs用蒸馏水洗涤三次。
3.过氧化物酶样活性测量：
   1) 在典型程序中，将等体积的0.5 mg/mL PCN-222-Fe NPs和1 mg/mL聚合物（PAA、PSS和PAH）混合，在室温下孵育30分钟。
   2) 向上述溶液中加入40 µL的10 mM TMB，然后加入1.88 mL的0.2 M Tris缓冲液（pH = 7.4），最后加入40 µL的10 mM H2O2。
   3) 使用分光光度计监测反应溶液在652 nm处的吸光度变化。对于荧光底物Amplex Red，向1.95 mL的0.2 M Tris缓冲液（pH = 7.4）中加入10 µL的20 mM Amplex Red（在DMSO中）和20 µL的0.5 mg/mL PCN-222-Fe@PAA NPs，然后加入20 µL的10 mM H2O2。
   4) 通过在585 nm处的荧光强度变化监测Amplex Red的过氧化物酶反应，激发波长为560 nm，使用微孔板读数器。根据比尔-朗伯定律计算初始速率。
4.pH依赖性过氧化物酶样活性测量：
   1) 向1.88 mL不同pH值（3‒6为醋酸盐缓冲液，7‒8为Tris缓冲液）的0.2 M缓冲液中依次加入40 µL的0.25 mg/mL PCN-222-Fe NPs（或PCN-222-Fe@PAA NPs）、40 µL的10 mM TMB和40 µL的10 mM H2O2。
   2) 监测652 nm处的吸光度变化并计算初始速率。

分析测试：
1.样品形态学表征：
   - 使用Zeiss场发射扫描电子显微镜（SEM）检查PCN-222-Fe NPs和PCN-222-Fe@PAA NPs的形态。PCN-222-Fe NPs呈纺锤形，长度和宽度分别为360 ± 35 nm和171 ± 16 nm；PCN-222-Fe@PAA NPs的长度和宽度分别为368 ± 30 nm和166 ± 16 nm。
2.N2吸附-脱附等温线：
   - 在Quantachrome Autosorb-iQ2-MP体积气体吸附分析仪上获得PCN-222-Fe NPs和PCN-222-Fe@PAA NPs的77 K N2吸附-脱附等温线，之前在150 °C下真空脱气过夜。结果显示PCN-222-Fe@PAA NPs相比PCN-222 NPs氮气吸附量和孔容减小，证实PAA能够被限制在MOF通道内。
3.表面物种分析：
   - 使用X射线光电子能谱（XPS）系统（Axis Supra, Kratos Analytical Ltd., UK）进行，使用Al Kα X射线源（1486.6 eV）在200 W下进行概览扫描，在300 W下进行核心级光谱分析。Zr 3d5/2的结合能从182.4 eV增加到182.6 eV，证明了PAA通过PCN-222-Fe NPs的Zr6簇与PAA的羧基之间的配位进行修饰。
4.粉末X射线衍射（PXRD）结果：
   - 使用Rigaku MiniFlex X射线衍射仪和Cu Kα辐射，扫描速度为10°/min获得PCN-222-Fe NPs和PCN-222-Fe@PAA NPs的PXRD图谱。PCN-222 NPs的XRD图谱与模拟的PCN-222相匹配，PAA修饰后XRD图谱保持不变，表明PAA成功修饰且未改变晶体结构。
5.衰减全反射傅里叶变换红外光谱（ATR-FTIR）：
   - 在Bruker V70仪器上进行ATR-FTIR分析，以确认PAA的成功修饰。
6.静态水接触角（WCAs）测定：
   - 使用OCAH200接触角测量仪（DataPhysics, Germany）记录PCN-222-Fe NPs和PCN-222-Fe@PAA NPs的水接触角，以评估其亲水性/疏水性。
7.紫外-可见（UV-vis）光谱记录：
   - 在Shimadzu UV-2501 PC分光光度计上以吸光度模式记录PCN-222 NPs和PCN-222@PAA NPs在不同pH值下的UV-vis光谱，以监测吸收峰的变化，从而推断局部pH的变化。
8.比表面积和孔隙结构分析：
   - PCN-222-Fe NPs和PCN-222-Fe@PAA NPs的比表面积分别为191.4 m²/g和189.2 m²/g，孔径分布中心在~2 nm。
9.XPS分析：
   - PCN-222-Fe@PAA NPs的XPS谱图显示了N 1s的强烈峰，Zr 3d5/2的结合能从182.4 eV增加到182.6 eV，表明PAA成功修饰。
10.FTIR分析：
    - PCN-222-Fe@PAA NPs的FTIR谱图在1000到1100 cm⁻¹处的吸收增加，归因于PAA的羧基和PCN-222-Fe NPs的Zr-O键的伸缩振动。
11.WCA测定：
    - PCN-222-Fe@PAA NPs相比PCN-222-Fe NPs显示出更高的疏水性，水接触角显著增大。
12.UV-vis光谱分析：
    - PCN-222@PAA NPs在中性pH下显示出比PCN-222 NPs更低的荧光强度，表明PAA修饰降低了微环境pH值。
13.水稳定性测试：
    - PCN-222-Fe@PAA NPs在333 K下浸水4小时后，晶体结构保持良好，显示出优异的水稳定性。
14.固定化脂肪酶性能评估：
    - PCN-222-Fe@PAA NPs展示出最高的特异性活性和活性恢复率，在酸解反应中表现出更高的反应速率和转化率。
15.脂肪酶重复使用性评估：
    - PCN-222-Fe@PAA NPs在五个酸解批次后保持了90.09%的活性，显示出优异的重复使用性。

总结：
文章通过实验和分子动力学模拟，成功地展示了通过限制聚酸或聚碱来调控MOF纳米酶的微环境pH值，从而打破了纳米酶的固有pH限制，增强了其在生理pH下的活性。这一策略不仅解决了纳米酶在实际应用中的pH不匹配问题，还为设计高性能纳米酶和纳米催化剂提供了新的思路。

展望：
这篇文章的积极影响在于为纳米酶的应用提供了更广泛的pH适应性，有望在生物医学、环境监测等领域得到更广泛的应用。未来的研究可以进一步探索其他类型的聚酸或聚碱对不同MOF纳米酶的影响，以及这种微环境调控策略在其他类型的纳米催化剂中的普适性。此外，研究者还可以探索这种策略在体内环境中的稳定性和生物相容性，为纳米酶的临床应用奠定基础。

Microenvironmental modulation breaks intrinsic pH limitations of nanozymes to boost their activities
文章作者：Tong Li, Xiaoyu Wang, Yuting Wang, Yihong Zhang, Sirong Li, Wanling Liu, Shujie Liu, Yufeng Liu, Hang Xing, Ken-ichi Otake, Susumu Kitagawa, Jiangjiexing Wu, Hao Dong & Hui Wei
DOI：10.1038/s41467-024-55163-4
文章链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-55163-4