生物催化級聯(lián)在促進生物體內(nèi)高效、特異和復(fù)雜反應(yīng)方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用，它通過底物的精確運輸和封閉系統(tǒng)內(nèi)多種酶的協(xié)調(diào)發(fā)揮作用。天然酶以其卓越的效率和選擇性著稱，主要主導(dǎo)底物特異性反應(yīng)。探索將脆弱的天然酶固定在人工多孔基質(zhì)中是擴大生物催化系統(tǒng)范圍的一個極具前景的途徑，因為人工基質(zhì)具有以下明顯優(yōu)勢：(i) 人工多孔基質(zhì)提供了一個穩(wěn)定可控的環(huán)境，可以保護脆弱的天然酶免受外界環(huán)境的干擾，從而保持其催化活性和選擇性；(ii) 由于多孔基質(zhì)的特殊結(jié)構(gòu)，天然酶可以在其中高度定位，形成高效的反應(yīng)中心，從而提高催化效率；(iii) 人工多孔基質(zhì)的天然酶催化體系具有高穩(wěn)定性和再生性，可以重復(fù)使用，降低催化過程的成本和資源消耗。然而，這項工作也面臨著亟待解決和克服的重大挑戰(zhàn)。

本研究設(shè)計了孔隙有序的介孔單原子（鐵）氮摻雜碳納米反應(yīng)器（Mp-Fe-CN），其中設(shè)計了合理的孔隙大小，作為天然酶陷阱與模擬酶中心耦合。研究發(fā)現(xiàn)，極性引導(dǎo)的氮配體環(huán)境工程和空位簇缺陷明顯影響了納米多孔活性，并伴隨著明顯的介孔孔徑增大。密度泛函理論揭示了 Fe-N4的活性中心和遠端 N 原子配位對納米酶催化過程的影響，確定了雜化軌道對電子轉(zhuǎn)移和決定性步驟的貢獻。作為概念驗證，開發(fā)了一種基于級聯(lián)納米反應(yīng)器的限域肌氨酸氧化酶，用于無創(chuàng)監(jiān)測尿液中的肌氨酸水平，以評估潛在的前列腺癌?；诩{米催化單元表面介孔通道的設(shè)計，為納米酶和天然酶之間的相互作用搭建了橋梁，實現(xiàn)了天然酶產(chǎn)物的級聯(lián)納米催化。

圖1. SiO₂@ Ph（a）、Mp-Fe-CN（b-d）的 TEM 圖像。(e) Mp-Fe-CN 的 HAADF-STEM 圖像以及相關(guān)的 EDX 元素映射和線掃描（f）。(g) Mp-Fe-CN 的原子分辨率 ADF-STEM 圖像。鐵箔、Mp-Fe-CN 和 Fe₂O₃的 XANES（h）和 k³加權(quán) EXAFS 信號的 WT（i）。

圖 2 (a) H₂O₂/TMB/納米酶催化溶液的時間相關(guān)吸收曲線。(b) 比較不同催化體系吸光度的散點圖。(c) H₂O₂/TMB/納米酶催化體系在一般 pH 值范圍內(nèi)的顯色行為熱圖。Mp-M-CN 的 DOS 分布曲線（d）和相應(yīng)的 d 波段中心（藍線）以及 Mp-Fe-CN 的相應(yīng) DOS 分布曲線（e）。(f) 金屬 d 波段與配位 N 原子的 p 軌道雜化示意圖。(g) 過氧化氫在 Mp-Fe-CN 上的分解過程示意圖。(h) Mp-M-CN 上過氧化氫催化分解至水脫附的自由能圖。

圖 3 (a) Mp-Fe-CN_11-15的 TEM 圖像。(b) Mp-Fe-CN11-16 催化 TMB 分子氧化時的原位拉曼光譜。(c) Mp-Fe-CN11 催化 TMB 分子氧化時的隨時間變化的原位拉曼光譜。(d) Mp-Fe-CN_11-16+DMPO+H₂O₂的EPR 光譜。(e) 納米酶的動力學(xué)曲線。(f) Mp-Fe-CN_11-16SAzymes 的比活度。(g) 不同納米酶的比活度比較。

圖 4 (a) Mp-Fe-CN11-16 的本征 ESR 光譜。Mp-Fe-CN_11,13的 PL (b) 和 PALS (c) 光譜。Mp-Fe-CN 的 PFS 和 NFS SAzymes 細分結(jié)構(gòu)之間的計算電荷密度差異：*H₂O₂(d)、*2OH(e)、*OH(f)、*H₂O(g)。紅色和藍色區(qū)域分別表示電子積累和電子耗盡。(h) 過氧化氫在 PFS 和 NFS 上分解的自由能級圖。

圖 5 (a) 尿液肌氨酸回收試驗。不同濃度肌氨酸的紫外可見吸收光譜（a）和相應(yīng)的信號回歸曲線（b）。(c) 特異性分析。(d) 使用加標(biāo)模擬物的特異性分析結(jié)果。(e) 實際樣品中肌氨酸和加標(biāo)處理的回收率結(jié)果。(f) 精度評估回歸曲線。

唐點平教授：福州大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師，福建省“閩江學(xué)者”特聘教授，德國“洪堡學(xué)者”,福建省杰出青年基金獲得者，福建省“百人計劃”引進高層次創(chuàng)業(yè)創(chuàng)新人才。曾獲得全國百篇優(yōu)秀博士論文提名獎，重慶市自然科學(xué)科學(xué)技術(shù)獎一等獎(排名第三)，入選“世界百名最具影響力分析科學(xué)家”榮譽稱號。先后主持多項國家級和省部級科研課題，2019-2022年入選“中國高被引學(xué)者”榜單，2021-2022年入選“化學(xué)學(xué)科全球高被引科學(xué)家”，2篇論文入選“中國百篇最具影響力的國際學(xué)術(shù)論文”。以第一作者或者通訊作者已在Angewandte Chemie International Edition、Analytical Chemistry等國際權(quán)威刊物上發(fā)表SCI論文200多篇。

Yu Z, Zeng R, Gong H, et al. Geometric and defects engineering collaboration for enhanced cascade enzymatic nanoreactors. Nano Research, 2023, https://doi.org/10.1007/s12274-023-6119-7.

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