近日，四川大学华西医院超声医学科邱逦教授医工交叉学科研究团队在材料领域知名期刊Advanced Materials（IF：30.849）上发表了题为“A Library of ROS‐Catalytic Metalloenzyme Mimics with Atomic Metal Centers”的封面论文（图1）。该研究构建了仿金属蛋白酶催化产活性氧（ROS）单原子库，揭示了不同金属活性中心对其仿酶催化活性、底物选择性、动力学和活性氧(ROS)种类的影响。

我院超声医学科专职博士后曹素娇为该论文第一作者，我院超声医学科邱逦教授、四川大学高分子科学与工程学院程冲研究员为该论文的共同通讯作者，四川大学华西医院为第一作者单位。

图1：期刊封面

自然创造了大量的生物酶用于催化各种生化反应和生物过程。目前，生物酶已被大量生产并用于催化多种生物化学应用，包括合成必要的药物分子、复杂的天然产物和大分子制剂等。然而，其成本高、制备复杂、回收困难、在苛刻的pH和温度条件下不稳定等，严重阻碍了其生物医学应用的发展。近年来，对仿酶催化生物合成和生物治疗的需求不断增加，促进了纳米酶、高分子人造酶等的快速发展，尤其是仿金属蛋白酶材料(AMEs)。金属-氮配位结构（M-Nx））的单原子材料因具有类似天然金属蛋白酶的催化中心结构和生物催化活性已成为一种潜在的仿酶催化材料。

由于对比不同M-Nx单原子中心的催化活性、底物选择性、动力学和活性氧(ROS)产物，并解析相关催化产ROS机制等尚无法实现，因此合成具有不同金属单原子中心但相似的物理化学和配位结构的AMEs仍然是一个巨大的挑战。为解决上述问题，研究人员首先通过水相原位掺杂的方法制备了一系列过渡金属原子掺杂的金属-有机配位聚合物前驱体材料，然后通过高温碳化成功合成了一系列具有相似尺寸和相同纳米立方体形貌的单原子仿酶材料（图2）。精细结构表征表明所制备的单原子仿酶材料具有与天然金属蛋白酶材料的M-N4结构类似的结构（图3）。该过渡金属单原子仿酶具有OXD、POD和HPO仿酶催化产ROS活性，与天然酶类似，其仿酶催化产ROS活性与材料浓度、反应体系温度和pH密切相关，仿酶催化过程符合米氏方程。TMB显色反应和稳态动力学表明具有Fe-N4活性中心的Fe-AME表现出最高的OXD和HPO仿酶活性，而Cu-AME表现出最好的POD仿酶活性（图4），表明所制备的过渡金属单原子仿酶材料的催化活性与其金属活性中心种类密切相关。

图2：催化产ROS的仿金属蛋白酶单原子库材料

图3：过渡金属单原子仿酶结构表征

图4：单原子仿酶材料的催化产ROS活性

理论计算结果表明，AMEs的催化路径及其活性与金属活性中心的电子结构密切相关。以Fe-N4和Mn-N4为例，由于Fe-N4的缺电子结构使其对底物H2O2分子表现出较低的吸附能，同时在决速步——超氧阴离子（•O2-）的生成过程中表现出较低的能垒，因此相比之下，Mn-N4具有更高的催化活性（图5）。

图5：催化产ROS活性的路径及理论分析

该研究首次合成了20种具有规则纳米立方体形貌且大小、比表面积一致但金属中心不同的催化产ROS的仿金属蛋白酶单原子库，并系统地分析对比了相关单原子材料的仿酶中心，揭示了不同金属活性中心对其仿酶催化活性、底物选择性、动力学和活性氧(ROS)种类的影响。

原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202200255