理性设计高特异性碳基纳米酶及其生物分析应用研究

Nanozymes are the functional nanomaterials with enzyme mimicking activities. Compared with natural enzymes and conventional artificial enzymes, they are not only more robust but also exhibit multi-functionalities and tunable catalytic activities. Therefore, since the discovery, nanozymes have been widely used in numerous areas such as analytical chemistry, biomedicine, and environmental science. Despite the substantial progress, the currently-developed nanozymes are still lack of specificity, which is one of the key characteristics of enzymatic catalysis and is important for the design of high performance nanozymes. Till now, there are no effective strategies for the design of highly specific nanozymes. To address this challenge, in the current project we aim to design highly specific peroxidase mimics by using carbon nanomaterials. We choose peroxidase due to its importance and wide use in bioanalysis. We use carbon nanomaterials as the potential nanozymes because of their low cost and high biocompatibility. By combining the computation with experiments, we will be able to design carbon nanozymes with high specific peroxidase mimicking activities. The potential mechanism for the catalytic specificity will be investigated. Finally, the obtained highly specific peroxidase mimics will be explored for bioanalysis. The proposed research project will establish new strategies for guiding the design of highly specific nanozymes, which will in turn broaden the research field of nanozymes. It will also develop nanozyme-based platforms for cellular and living bioanalysis.

纳米酶，是指具有类酶催化活性的功能纳米材料。与天然酶及传统模拟酶相比，纳米酶不仅更加稳定，而且具有功能多样性和催化活性可调等优点。因而自其发现以来，已被广泛应用于分析化学、生物医学、环境科学等多个领域。尽管近年来纳米酶研究取得了实质性进展，现有纳米酶仍缺乏特异性。而特异性恰恰是酶催化反应的一个重要特性，也是获得高效纳米酶的关键。目前还尚无能有效提高纳米酶特异性的方法。针对现有纳米酶特异性较差这一关键科学问题，本项目以生物分析领域广泛应用的过氧化物酶为模拟目标，选用成本低廉且生物相容性优异的碳纳米材料为研究对象，拟将理论计算和实验相结合，设计并合成能特异模拟过氧化物酶的纳米酶，并阐明其选择性催化机制，进而研究其在生物分析中的应用。本项目一方面将提出理性设计特异性纳米酶的新策略，进一步拓展纳米酶研究领域；其次，还将建立基于纳米酶的细胞及活体分析新方法。

纳米酶，是指具有类酶催化活性的功能纳米材料。与天然酶及传统模拟酶相比，纳米酶具有稳定性好、催化活性可调等诸多优点，因而已被广泛应用于生物分析与检测、生物成像、疾病治疗、环境治理等诸多研究领域。尽管近年来纳米酶研究取得了一系列突破性进展，该领域目前仍然存在一些瓶颈问题。其中之一就是纳米酶的催化特异性仍然无法与天然酶相媲美。而特异性恰恰是酶催化反应的一个重要特性，也是获得高性能纳米酶的关键。针对上述问题，本项目采用理论与实验相结合，设计并合成能特异模拟过氧化物酶的纳米酶，进而研究其在生物分析中的应用；同时还拓展研究纳米酶的其它设计策略及其在生物医学治疗方面的应用。.在如下几方面取得重要进展，即：（1）提出能特异模拟过氧化物酶的碳基纳米酶设计策略，合成高特异性纳米酶，并解析其催化机制。（2）拓展研究纳米酶设计指导规则。第一、建立基于火山型曲线的纳米酶设计指导规则；第二、建立基于Hammett线性构效关系的纳米酶设计指导规则；第三、发展数据启发策略用于设计水解型纳米酶。（3）纳米酶用于重要生物分子等分析检测。利用所设计合成的纳米酶，构建传感器成功用于抗坏血酸、农药、碱性磷酸酶、细胞内谷胱甘肽等的检测。（4）利用纳米酶有效调控活体ROS水平，发展抗炎治疗新策略。设计系列具有ROS消除活性的纳米酶，用于小鼠皮炎、肠炎等治疗。Pt@PCN222-Mn对肠炎的疗效优于临床药物5-氨基水杨酸；可口服的CeO2@MMT能靶向肠炎病变部位，可减少纳米材料毒副作用。相关研究成果发表在Analytical Chemistry、Science Advances、Nature Communications等期刊。本项目所发展的纳米酶设计指导规则将有助于指导新型高效纳米酶的设计与合成，所发展的分析及治疗方法可用于重要生物分子的检测、慢性疾病的治疗等。