介孔嵌入手性纳米金诱导对映选择性

天然酶因其在催化中的高效性、专一性而在生物合成、传感、药物制备、食品工业等领域有着广泛应用。但天然酶也存在稳定性差、难以回收与循环利用、制备困难、成本较高等缺点，严重限制了天然酶的实际应用。研究者们发展了多种人工酶代替天然酶发挥作用，其中许多纳米材料，例如普鲁士蓝纳米粒子、金属氧化物纳米粒子、贵金属纳米粒子以及碳纳米材料，被证实具有独特的酶活性。这些纳米材料被称为纳米酶，与天然酶相比，它们易于制取、成本较低并且稳定性好。

尽管纳米酶具有许多优秀的性质，它们的催化活性与选择性往往远不如天然酶。许多研究致力于改善纳米酶的活性，但仅有少数的纳米酶在催化中表现出选择性。事实上，许多天然酶催化的反应都具有手性选择性，这对于酶的化学与生物学应用都是至关紧要的，纳米酶在选择性方面的缺点使得它们难以成为天然酶的优秀替代品。

对天然酶而言，选择性与立体特异性反应的实现需要活性位点周围手性氨基酸的参与。中国科学院长春应用化学研究所曲晓刚（点击查看介绍）研究团队受到天然酶的启发，设计合成了以手性氨基酸为手性识别配体的纳米酶，并将其应用于手性选择性反应。该纳米酶以药物多巴（DOPA）为手性底物，DOPA是一种非常重要的生物分子，L-DOPA在临床医学与神经化学中有重要作用，而它的异构体D-DOPA不仅没有生物活性，反而有毒。半胱氨酸（Cys）被证实在天然酶对L-DOPA的识别中有重要作用，并且Cys与DOPA的相互作用已被用于区分DOPA异构体，因此研究团队选择Cys作为手性识别DOPA的配体。具有过氧化物酶活性的金纳米粒子（AuNPs）被用做纳米催化剂的活性中心，因为Cys能与金原子形成金硫键，便于其在AuNPs表面的修饰。Cys修饰的AuNPs被装载在扩孔介孔硅（EMSN）中，EMSN能抑制AuNPs聚集，提高纳米酶的稳定性，同时允许底物和产物的自由进出。设计得到的纳米酶对DOPA异构体的氧化存在选择性，修饰D-Cys的纳米酶倾向选择L-DOPA而修饰了L-Cys的纳米酶倾向选择D-DOPA。反应的动力学参数、热力学参数以及分子动力学模拟证实了纳米酶的选择性来源于表面修饰的Cys，并解释了纳米酶选择性的成因：Cys与同型的DOPA之间（L-L，D-D）倾向形成两个氢键，而与异型的DOPA之间（L-D，D-L）倾向形成一个氢键。氢键个数的差异导致同手性的Cys与DOPA之间的作用更强，但这种更强的相互作用反而抑制了DOPA的催化氧化，并最终导致Cys修饰的纳米酶对于异型DOPA表现出选择性。

研究者设计合成的具有手性选择性的纳米酶与天然酶更接近，而这种对于天然酶的理性模拟也可以应用在其他的人工酶中，为手性选择性人工酶的设计提供帮助。相关结果发表在Angewandte Chemie International Edition 上。

该论文作者为：Xiaogang Qu, Ya Zhou, Hanjun Sun, Hongcheng Xu, Silvina Matysiak, Jinsong Ren

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Mesoporous‐encapsulated chiral nanogold used for enantioselective reaction

Xiaogang Qu, Ya Zhou, Hanjun Sun, Hongcheng Xu, Silvina Matysiak, Jinsong Ren

Angew. Chem. Int. Ed., 2018, DOI: 10.1002/anie.201811118

导师介绍

曲晓刚

http://www.x-mol.com/university/faculty/15810

（本稿件来自Wiley）