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*編輯：俞紀元
轉載責編：俞紀元
南京大學劉震課題組報道了一種新型的基於反相微乳液的模板對接表面印跡策略 (RMTD-SI)，用於設計和製備具有開放結構的分子印跡納米酶，使其具有對底物的自由捕獲能力，用於ssDNA的催化連接。所製備的分子印跡納米酶可以顯著提高催化反應的速度，並展現出良好的底物選擇性。此外，這種分子印跡納米酶還可以進一步催化具有與印跡空腔完全匹配序列的ssDNA與其他ssDNA底物連接，形成更長序列的產物。
圖1 (a) 基於反相微乳液的模板對接表面印跡(RMTD-SI)策略的原理和流程圖。(b) RMTD-SI策略所製備的分子印跡納米酶的催化機理示意圖。
天然酶作為一種高特異性的生物催化劑，可在溫和條件下通過酶促反應使反應速率提高几個數量級，從而高效、專一地催化生成產物。然而，天然酶存在體外穩定性差、大規模製備困難以及難以重複利用等缺點，這些問題促使了研究人員對人工酶的開發。納米酶作為一種新型的人工酶，相對天然酶具有明顯的優勢，例如催化活性更高、可控性好、製備簡便、使用方便等，有望成為天然酶的替代品，在過去十年中引起了廣泛的關注。
分子印跡聚合物（MIP）由於其良好的特異性和高親和力，可以作為一種新型納米酶。早期的分子印跡納米酶利用過渡態類似物（TSAs）作為模板生成活性位點，為納米酶的製備提供了新的途徑。在印跡空腔存在的情況下，反應物可以被誘導形成過渡態，降低反應物的活化能，從而提高反應速率。然而，使用過渡態類似物進行印跡依賴於對過渡態和過渡態類似物結構的準確掌握，且過渡態類似物的結構隨反應底物的變化也會有很大的不同，這些為分子印跡納米酶的製備帶來了巨大的挑戰，嚴重限制了分子印跡納米酶的發展和應用。
為了克服上述問題，劉震課題組在前期的工作（Journal of Materials Chemistry B, 2022, DOI: 10.1039/D1TB02325J）中首次提出了一種新的催化策略——親和聚集增強偶聯（AGEC），利用印跡空腔特異性識別反應底物，並將不同底物的反應基團拉近，提高活性基團的碰撞機率來加快反應速度。同時，結合溫度循環擴增（TCA）的策略，通過溫度變化控制印跡空腔的氫鍵作用，避免產物抑制效應。利用目標產物作為印跡模板得到的分子印跡介孔材料，該團隊已經驗證了該策略的可行性。然而，由於介孔材料的孔道位於材料內部，不利於大分子的合成催化反應，需要設計新的納米結構對於該催化策略進行拓展應用。
基於以上問題，劉震課題組開發了一種稱為“基於反相微乳液的模板對接表面印跡（RMTD-SI）”的新策略，用於設計和製備具有開放結構的分子印跡納米酶，使其具有對底物的自由捕獲能力，用於ssDNA的催化連接。該課題組對這種新型分子印跡納米酶的性質及其催化行為進行了深入的研究，並探究了其可能的機理。利用AGEC策略，證明了該分子印跡納米顆粒可以作為一種納米酶，催化ssDNA底物的連接，表現出良好的催化活性和底物選擇性。此外，與之前報道的基於介孔材料的分子印跡納米酶不同，該研究中報道的分子印跡納米酶還可以進一步催化具有與印跡空腔完全匹配序列的ssDNA與其他ssDNA底物連接，形成更長序列的產物，但失去了對其他底物的選擇性。通過機理分析，這可能是由於其開放結構帶來的對底物的自由捕獲能力。因此，該研究不僅為分子印跡納米酶的設計和製備提供了新的策略，而且對分子印跡納米酶的催化行為提供了新的見解。
論文信息
Molecularly Imprinted Nanozymes with Free Substrate Access for Catalyzing the Ligation of ssDNA Sequences
Zhanchen Guo+, Qi Luo+, Prof. Dr. Zhen Liu*
該文收錄於《歐洲化學》“南京大學120周年校慶”特輯。
Chemistry – A European Journal
DOI: 10.1002/chem.202202052
Chemistry – A European Journal
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