摘要：随着抗生素的广泛使用，细菌耐药性问题日益严重，对全球公共卫生安全构成威胁。类过氧化物纳米酶作为一类具有过氧化氢分解催化性能的纳米催化剂，因其低成本、良好稳定性、易于合成等优点，成为抗菌领域研究的热点。纳米酶的抗菌效能与其对底物的亲和力及催化效率密切相关。高底物
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随着抗生素的广泛使用，细菌耐药性问题日益严重，对全球公共卫生安全构成威胁。类过氧化物纳米酶作为一类具有过氧化氢分解催化性能的纳米催化剂，因其低成本、良好稳定性、易于合成等优点，成为抗菌领域研究的热点。纳米酶的抗菌效能与其对底物的亲和力及催化效率密切相关。高底物亲和力的催化界面底物的高效转化，进而提升其抗菌作用。因此，优化纳米酶的底物亲和力和催化效率是提高其抗菌活性的关键策略。
福州大学唐点平教授课题组的于智超博士通过模仿自然界中酶的活性中心和底物通道，开发了一种新型金属-有机框架 (metal-organic framework, MOF) 基纳米酶。用单分散铂纳米颗粒功能化的 MOF 结构作为对照和概念验证，以确定潜在人工通道对类过氧化物酶活性的影响 (图 1)。原位红外测试和理论计算揭示了纳米酶界面上过氧化氢分解过程的变化，以及聚集态结构对底物吸附和中间体转移的促进作用 (图 2)。此外，纳米酶能在伤口环境中迅速产生活性氧，有效抑制细菌生长 (图 3)。代谢组分析进一步证实了该纳米酶在炎症伤口区域有望阻断细菌能量代谢途径 (图 4)，为开发新型抗生素替代品提供了新思路。
图 1. 纳米酶活性的测定：(A-C) 不同纳米酶的催化活性；(D) 纳米酶稳态动力学常数测定；(E) 纳米酶和天然辣根过氧化物酶的温度依赖性；(F) 纳米酶的Arrhenius曲线；(G-H) 原位ATR-FTIR光谱及催化示意图。
基于密度泛函理论探究了纳米酶的活性机制，揭示Pt核主要分布在1.55 nm直径的介孔结构中，对H2O2的定向传输和催化活性起着关键作用。吸附能量表明ZIF-8-pPt纳米酶结构中的Pt表面通过Pt-O相互作用有效地吸附H2O2，而孔隙结构的空间限制和电子特性影响了底物的吸附位置和催化过程。此外，分子动力学显示，H2O和H2O2分子在ZIF-8-pPt中的扩散行为受到孔隙结构的显著影响，这直接关联到纳米酶的催化效率。这些结果表明纳米酶活性不仅受活性中心本身的影响，还受到周围微环境和孔隙结构的调控，从而为设计高效纳米酶提供重要的结构-活性关系见解 (图 2)。
图 2. 纳米酶的活性机制：(A,B) 电势分布示意图；(C) 氧化氢吸附模型；(D-F) 纳米酶的动力学过程和径向分布函数；(H) 纳米酶催化循环示意图；(I) 吸附模型的微分电荷密度图像；(J) 纳米酶表面的定量变化曲线。
代谢组学结果揭示了ZIF-8-pPt纳米酶与H2O2协同作用能够有效阻断细菌的能量代谢途径，如三羧酸循环、磷酸戊糖途径和丙酮酸代谢，破坏了氢和电子传递的呼吸链，从而抑制细菌生长 。这种代谢调控导致了细菌能量供应的中断和生物合成的减少，最终导致细菌死亡 (图 3)。
图 3. LC-MS/MS和转录组测序对金黄色葡萄球菌代谢物非靶向定量：(A-D) 纳米酶的对能量相关代谢物水平测定；(E-H) 纳米酶和不同代谢物之间的关系；(I) 纳米酶与三羧酸循环、糖酵解、氨基酸合成和代谢途径示意图
体外抗菌实验发现ZIF-8-pPt纳米酶的结构特性与其卓越的抗菌效能和促进感染伤口愈合的能力密切相关 (图 4)。此外，体内实验还验证了ZIF-8-pPt不仅具有出色的抗菌特性，还能加速伤口愈合过程，而不引起过度的炎症或毒性效应。该工作为设计新型高效抗菌材料和促进伤口愈合的策略提供了重要的结构-活性关系见解。
图 4. ZIF-8-PPT纳米酶对小鼠细菌感染伤口的催化治疗：(A) 伤口感染和治疗方案；(B) 小鼠治疗图像；(C) 实验小鼠伤口实物照片；(D-G) 内脏组织学分析。
该工作以"Tailored Metal-Organic Framework-Based Nanozymes for Enhanced Enzyme-Like Catalysis"为题目发表于Angewandte Chemie-International Edition。论文第一作者为福州大学化学学院博士生于智超和生物科学与工程学院硕士生许振锦，通讯作者为福州大学化学学院唐点平教授和生物科学与工程学院翁祖铨教授、黄达教授。
论文信息：Zhichao Yu, Zhenjin Xu, Ruijin Zeng, Man Xu, Minglang Zou, Da Huang,* Zuquan Weng,* Dianping Tang,* Tailored Metal-Organic Framework-Based Nanozymes for Enhanced Enzyme-Like Catalysis. Angewandte Chemie International Edition 2024, https://doi.org/10.1002/anie.202420200
来源：小尹说科学