近日，东南大学化学化工学院、江苏省富碳材料器件工程研究中心张袁健教授课题组（https://Zhang.team）在纳米酶特异性催化机理研究方面取得重要进展。相关成果以“Metal-ligand dual-site single-atom nanozyme mimicking urate oxidase with high substrates specificity”为题在国际重要期刊Nature Communications上在线发表。
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，广泛应用于生物、医药、食品工业等领域。但是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。受天然酶选择性机制启发，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-配体双位点类尿酸氧化酶（Ni-DAB，图1）。Ni-DAB可以高特异性催化尿酸氧化，但对其他底物无显著活性。
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和理论计算揭示了Ni-DAB 催化尿酸氧化过程中，尿酸和氧气分子分别与Ni金属中心和配体中beta-C相结合的双位点机制，进一步的氧化还原反应通过催化剂骨架传递电子来实现。
作为应用案例，该研究进一步利用Ni-DAB构建了尿酸生物燃料电池（图2），由于Ni-DAB对尿酸的高特异性催化氧化，避免了其他副反应，提高了电池的输出效率，可利用人体尿液直接输出电能，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。该研究提出了模拟天然酶选择性机制来提高纳米酶特异性的新方法，展现了人工模拟酶的重要应用前景。
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东南大学医学院沈艳飞教授，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
来源：化学化工学院