中科大吴宇恩/周煌/徐索文/高晓平等Nat Commun：细胞启发设计三维空间活性位点隔离的仿生级联催化系统

在自然界中，单个活细胞包含多个被膜分隔的区室，其中不同的酶在空间上被固定到不同的区室中，使得它们之间的酶促反应互不干扰，并允许酶级联催化的反应在最优的微环境中发生，从而具有高活性和高特异性。这极大地鼓舞了研究人员来模拟多腔室的活细胞系统，即是通过将不同的酶封装到特定的位置来完成多步级联的酶促反应。然而，由于蛋白质酶固有的脆弱性，使酶体系在实际操作中稳定性差，而且成本高，回收和储存困难，这严重阻碍了其实际的工业化应用。

大自然通过选择特定的金属离子（如Fe、Co、Cu、Zn、Mn 等）作为催化活性位点，嵌入蛋白质骨架，从而构成一系列不同的金属蛋白酶。在生理条件下，这些金属蛋白酶可以催化许许多多生命体重要的生化反应。最近，具有活性金属位点的纳米材料，如金属纳米颗粒、纳米团簇和单原子，在许多具有挑战性的生化转化过程中表现出了优异的稳定性和可控的催化活性，被认为是天然金属酶的潜在替代品。但是，这些金属位点在一个催化系统中通常只具有一种仿酶活性。这说明在级联催化系统中，不同活性位点的结合是完成多步串联催化反应的关键。例如，将仿葡萄糖氧化酶和仿辣根过氧化物酶的催化活性位点整合到一起得到复合的级联催化剂，通常将其用于葡萄糖的检测。然而，通过将不同活性位点简单叠加而得到共面构建的复合催化剂，其不能有效地隔离催化位点和防止反应之间的相互干扰，从而导致级联反应效率低下。因此，对于一个高效的仿生级联催化系统的设计，不同活性位点高度有序的空间三维分布和相应的非干扰反应路径（如在活细胞系统中）是非常关键的。

基于此，中国科学技术大学化学院吴宇恩、周煌、高晓平以及生命科学院徐索文等人合作报道了一种基于细胞启发设计的仿生级联催化系统，其中Fe 单原子和Au 纳米颗粒在空间上被分别固定到氮掺杂碳（NC）基的三维纳米胶囊的不同层上，从而实现了高效无干扰的级联催化。

Figure 1. Schematic illustrations and morphology characterization for the preparation of Fe₁@Au NPs and reference materials. 

本文要点：（1）具有仿过氧化物酶活性的 Fe 单原子和仿葡萄糖氧化酶活性的 Au NPs 在空间上被分别固定到氮掺杂碳基的三维纳米胶囊的内层和外层，不同的金属位点能够独立催化并协同工作，从而实现工程化和级联葡萄糖检测。（2）与传统混合和共面构建的催化系统相比，所构筑的仿生催化系统展现出了 9.8 倍和 2 倍的级联活性增强。此外，该仿生级联催化系统实现了高灵敏的比色检测葡萄糖，具有高效的催化活性和优异的选择性。（3）所提出的基于该仿生级联催化系统的凝胶传感器与智能手机集成，实现了实时和可视化的葡萄糖检测。更重要的是，基于凝胶的传感器在实际血清样品检测中展现出了与商用血糖仪高度的相关性。

Figure 2. Structural characterizations of Fe₁@Au NPs and reference materials. 

Figure 3. The theoretical investigation of the mechanism for the enzymes-like reaction of Fe₁@Au NPs. 

Figure 4. Fe₁@Au NPs–based solution sensor for the colorimetric detection of glucose.

Figure 5. Fe₁@Au NPs–based gel sensor for the colorimetric detection of glucose. 

这一成果近期发表在Nature Communications 上，文章的第一作者为中国科学技术大学博士王秋萍、陈奎和蒋辉。中国科学技术大学化学与材料科学学院吴宇恩教授、周煌副研究员、高晓平副研究员和生命科学学院徐索文研究员为本文的共同通讯作者。

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Cell-inspired design of cascade catalysis system by 3D spatially separated active sites

Qiuping Wang, Kui Chen, Hui Jiang, Cai Chen, Can Xiong, Min Chen, Jie Xu, Xiaoping Gao, Suowen Xu, Huang Zhou & Yuen Wu

Nat. Commun., 2023, 14, 5338. DOI: 10.1038/s41467-023-41002-5

通讯作者简介

吴宇恩，中国科学技术大学应用化学系教授，中国科学技术大学附属第一医院兼职教授，博士生导师，教育部长江特聘教授。近些年来专注于单原子、团簇催化剂的理性设计及其工业化应用探索。2015年获基金委优秀青年基金资助，2017年获国家重点研发计划纳米专项青年项目资助并任首席，2017年获得中组部青年拔尖人才资助，2018年获得中国化学会纳米化学新锐奖，2019年获得中国化学会青年化学奖，2020年获得霍英东青年教师奖。近年来，以通讯作者在国际主流期刊发表学术论文150余篇，包括Nat. Catal. 3篇，Nat. Commun. 6篇、J. Am. Chem. Soc. 12 篇、Angew. Chem. Int. Ed. 14篇，Adv. Mater 6篇，PNAS 1 篇，Joule 1篇，Chem 2篇，Energy. Environ. Sci. 2篇等，论文总引用19000余次。2020-2022年入选科睿唯安高被引科学家。目前担任期刊Science Bulletin副主编，Science China Materials编委，Small Methods 客座编辑（单原子催化专刊），无机化学学报青年编委。Chemical Research in Chinese Universities 青年编委，内燃机协会燃料电池分会委员以及中国化学会CO₂分会委员。

https://www.x-mol.com/university/faculty/35052 

周煌，中国科学技术大学，特任副研究员。近年来致力于原子级催化剂设计及电化学器件开发。2017年硕士毕业于武汉理工大学（师从木士春教授），2020年博士毕业于中国科学技术大学（师从吴宇恩教授），随后留校从事博士后研究工作（合作导师：李亚栋院士、吴宇恩教授），获得2020年度”博新计划”资助。2022年加入中科大化学与材料科学学院，任特任副研究员。近5年来，以第一作者和通讯作者（含共同）在Nat. Catal. (1), Nat. Commun. (2)，J. Am. Chem. Soc. (4), Angew. Chem. Int. Ed. (2), Energy. Environ. Sci. (1)，ACS Catal(1)等期刊上发表论文20余篇。主持国家自然科学基金、安徽省重点研发计划项目等10余项。获得中科院特别研究助理、中科院院长奖、安徽省优博、中科大“墨子”特别津贴等荣誉或奖励。

徐索文，中国科学技术大学附属第一医院研究员、博士生导师。入选国家高层次人青年拔尖人才项目、安徽省杰青、安徽省百人计划和德国洪堡资深学者。长期从事心血管与代谢性疾病的发病机理与药物治疗研究。曾主持美国心脏协会基金、国家自然科学基金面上项目等项目。近五年以第一或者通讯作者在Eur Heart J、PNAS、STTT等杂志发表了系列学术论文。荣获美国心脏协会 Career Development Award和Young Investigator Travel Award等。

高晓平，中国科学技术大学，特任副研究员。主要从事清洁能源小分子催化转化作用机制的理论研究。2021年3月博士毕业于上海交通大学（师从申哲民教授），2021年于中国科学技术大学和深圳大学从事联合培养博士后（合作导师：吴宇恩教授、王进教授），获得2021年博士后站前特别资助。2023年加入中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家研究中心，任特任副研究员。近5年来，以第一或者通讯作者（含共同）身份在Nat. Commun. (1)、J. Am. Chem. Soc.(2)、Angew. Chem. Int. Ed.(2)、Advanced Materials(2)、Energy & Environmental Science(1)、App. Catal. B.等期刊上发表SCI论文50余篇。主持中国博士后科学基金特别资助和面上资助以及深圳市科创委优秀科技创新人才等项目。

中科大吴宇恩课题组

吴宇恩

https://www.x-mol.com/university/faculty/35052 

课题组主页

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