[发明专利]一种半胱氨酸修饰的金纳米棒作为类过氧化物酶的应用

说明书

本发明提供了一种半胱氨酸修饰的金纳米棒作为类过氧化物酶的应用；本发明提供的应用，开发了一种半胱氨酸分子修饰金纳米棒的新用途，通过半胱氨酸共价修饰金纳米棒(AuNR)，能够显著增强其与底物的亲和性，进而显著提高了其类过氧化物酶活性；实现了在酸性条件下催化氧化底物活性提高20倍，并且通过金纳米棒独特的局域光热效应进一步增强了其类过氧化物酶活性和对底物时间和空间上可控的氧化，为综合平衡催化位点和底物亲和性来达到优化催化活性提供了新思路，对于实际应用具有重要的价值。

技术领域

本发明属于纳米生物技术领域，涉及一种半胱氨酸修饰的金纳米棒作为类过氧化物酶的应用。

背景技术

天然酶是生物体产生的具有底物选择性和高催化活性的蛋白质或RNA，是一类高效的生物催化剂，在生命活动中发挥着重要作用。然而，由于生产成本较高、无法耐受强酸强碱高温等极端条件，天然酶的工业应用受到极大的限制。因此，人们把目光投向天然酶的替代品——模拟酶。纳米酶是一类新发展起来的模拟酶，是具有类酶活性的纳米材料(Chem.Soc.Rev.,2019,48,1004-1076)。从化学组成来看，纳米酶主要分为氧化物、金属和碳基纳米材料构成的纳米酶。从催化反应类型来看，目前发现的纳米酶主要为氧化还原酶，如类氧化酶、类过氧化物酶、类过氧化氢酶和类超氧歧化酶等。由于其成本低廉、稳定性高、可长时间使用，纳米酶已被用于生物检测、环境治理、疾病诊断等领域的研究(Chem.Rev.,2019)，(Nat Nanotechnol,2007,2,577-583)。

与天然酶相比，纳米酶对底物的选择性因缺乏天然酶的自然选择过程往往较低，因此如何提高纳米酶的底物选择性是纳米酶研究中的一个挑战性问题。目前相关的进展还不多。一些学者从提高底物选择性的角度设计纳米酶，显著提高了纳米酶的催化活性。四氧化三铁磁性纳米颗粒(Fe₃O₄MNPs)具有类过氧化物酶活性，可以催化H₂O₂氧化3,3',5,5'-四甲基联苯胺(TMB)等显色底物。但其对H₂O₂的亲和性比辣根过氧化物酶HRP低很多(Fe₃O₄的Km值比HRP大40倍左右)。Yan课题组(Chem.Commun.2016,53,424-427)借鉴HRP中特异性结合H₂O₂位点处的官能团组氨酸，将其修饰在Fe₃O₄纳米颗粒表面。实验结果表明，组氨酸修饰的Fe₃O₄纳米颗粒对H₂O₂的表观亲和力提高了10倍以上。理论模拟表明，Fe₃O₄纳米颗粒表面的组氨酸可以与H₂O₂形成氢键，增强H₂O₂在颗粒表面的吸附。Liu课题组(J.Am.Chem.Soc.,2017,139,5412-5419)则利用分子印迹技术显著增加了纳米酶的底物亲和性。他们将显色底物分散在聚合物凝胶中并包覆在Fe₃O₄纳米酶的表面，之后将显色底物洗脱，在凝胶中留下显色底物分子模板的印记，构建了增加底物亲和的“口袋”，得到以Fe₃O₄为中心、聚合物为外壳、Fe₃O₄与聚合物界面含有显色底物特征空洞的纳米凝胶。此外，他们还在纳米凝胶中引入了带电荷的聚合物单体，使纳米凝胶所带电荷与显色底物相反，进一步提高了对TMB、2,2'-联氮-双-3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸(ABTS)等底物的催化专一性(与原始的Fe₃O₄纳米颗粒相比，带负电荷的、有TMB特征空洞的纳米凝胶的k_cat/Km值提升了15倍左右)。他们还证明，该方法也可提高CeO₂纳米颗粒、金纳米颗粒的类酶活性。Itamar Willner等人(J.Am.Chem.Soc.,2016,138,164-72)将具有催化活性的G-四联体修饰上氯化血红素，并与核酸适配体结合得到适配体/核酸模拟酶。通过选择合适的核酸适配体，可以提高其对反应底物的亲和力，从而提高适配体/核酸模拟酶的类过氧化物酶活性。同时，他们证明适配体/核酸模拟酶的构型改变也会影响其催化活性。