Nat. Commun.：高底物特异性的金属-配位双位点单原子尿酸氧化纳米酶

酶是生物体内各种生化反应顺利进行的生物催化剂。经过亿万年的进化，天然酶具有高特异性和高活性的特点，即只对特定底物具有高效的催化活性，对其他底物无活性或低活性，广泛应用于生物、医药、食品工业等领域，然而天然酶存在提纯工艺复杂、储存条件苛刻、容易变性失活等问题。基于此，人工模拟酶特别是单原子纳米酶应运而生，以其明确的配位结构、高效的活性和长期稳定性等优点受到广泛关注，有望在工业应用中替代天然酶。然而，由于缺乏底物特异性识别单元，且通常只有单金属位点，使得单原子纳米酶难以像天然酶一样特异性催化底物，严重了限制其实际应用。

辅酶非依赖性氧化酶是一种双底物酶，在氧气参与下催化小分子底物氧化，同时还原氧气产生水或过氧化氢，这类酶的高特异性源于独立的底物和氧气结合双位点。例如，尿酸氧化酶（UOX）具有Arg-176等组成的尿酸结合位点，和Thr-57等组成氧气结合位点，能高特异性催化尿酸氧化。然而，该双位点选择性策略尚未用于纳米酶的基础和应用研究。

图1. Ni-DAB单原子纳米酶的合成与结构表征（图片来自Nat. Commun.）

受天然酶选择性机制启发，东南大学张袁健团队提出在单原子纳米酶中引入一个竞争性非金属位点的策略，通过调控配位聚合物催化剂得到了金属-配体双位点高特异性类尿酸氧化酶（Ni-DAB），其中金属以单原子形式存在（图1）。

图2. Ni-DAB单原子纳米酶的催化性能测试（图片来自Nat. Commun.）

催化性能测试表明，Ni-DAB可以高特异性催化尿酸氧化生成尿囊素，同时还原氧气为过氧化氢（SA= 1.51 U/mg），而对其他底物无显著活性（图2）。

图3. Ni-DAB单原子纳米酶催化机理研究（图片来自Nat. Commun.）

通过同位素标记质谱、同步辐射软X射线谱、原位近常压X射线电子能谱等实验表征揭示Ni-DAB 催化尿酸氧化过程中，尿酸结合于Ni位点，氧气结合于beta-C位点，通过双位点的协同来特异性催化尿酸氧化（图3）。

图4. Ni-DAB单原子纳米酶理论计算研究（图片来自Nat. Commun.）

密度泛函理论计算揭示Ni-DAB中Ni与底物具有恰当的相互作用且配体中beta-C位点只能传递电子给氧气，而其他底物的结合能力过弱或过强导致不能正常反应，所以尿酸的选择性来源于尿酸与Ni位点之间匹配的相互作用，以及配体中beta-C位点的互补氧还原（图4）。作为概念性应用，利用Ni-DAB构建了尿酸生物燃料电池，利用Ni-DAB的高特异性，提高燃料电池的效率，可以利用人尿液中尿酸产生电能（图5），有望用于植入医疗设备和野外极端条件紧急呼叫设备供电以及空间站宇航员尿液高效利用等领域。

图5. Ni-DAB单原子纳米酶驱动的尿酸生物燃料电池应用（尿酸燃料来自志愿者的尿液，图片来自Nat. Commun.）

总结

张袁健教授课题组报道了一种模拟天然酶选择性机制在单原子纳米酶中引入一个竞争性非金属位点的策略，得到了高特异性高活性类尿酸氧化纳米酶。发现该纳米酶具有金属和配体双位点，分别结合尿酸和氧气，通过分子骨架传递电子，氧化尿酸。进一步发现该纳米酶对尿酸的选择性来源于尿酸与Ni位点之间匹配的相互作用以及配体中beta-C位点的互补氧还原。该研究为提高纳米酶特异性研究提供了新思路。

论文信息

Metal-ligand dual-site single-atom nanozyme mimicking urate oxidase with high substrates specificity

Kaiyuan Wang, Qing Hong, Caixia Zhu, Yuan Xu, Wang Li, Ying Wang, Wenhao Chen, Xiang Gu, Xinghua Chen, Yanfeng Fang, Yanfei Shen,* Songqin Liu, Yuanjian Zhang*

东南大学化学化工学院的博士生汪楷元为该工作的第一作者，通讯作者为张袁健教授和沈艳飞教授，东南大学为该工作的唯一完成单位，该工作得到了国家自然科学基金的资助。

论文链接：

https://doi.org/10.1038/s41467-024-50123-4

课题组网站：https://carbosensing.group