以下文章来源于纳米酶 Nanozymes ，作者Nanozymes
研究背景
生物体中的天然酶具有优异的底物选择性，高催化活性和反应条件温和等优点，因此在生物制药，生物传感和食品加工等领域具有广阔的发展前景。但其固有的稳定性差、提取纯化复杂、对温度和酸碱度高度敏感等缺点，严重阻碍了天然酶的广泛实际应用。近年来，研究者们发现以纳米金Au为典型代表的一系列纳米材料具有类酶的催化活性，被称为纳米酶。与天然酶相比，纳米酶具有活性可控、高稳定性、成本低和易于大量制备和回收的优点，但纳米酶的催化活性和选择性往往低于天然酶。目前许多工作致力于纳米酶活性的提升，却很少去赋予和调控纳米酶的立体选择性，而在生物体内天然酶催化的绝大多数反应是手性反应，因此对纳米酶的手性选择性调控是其能够代替天然酶的重要影响因素与研究方向。
鉴于纳米酶的独特优势，开发高效的对映选择性纳米酶，实现对外消旋体的不对称催化具有重要意义。然而，当前报道的大多数纳米酶一般是由无手性分子或在无手性环境中合成所得，因此很难表现出对映选择性。目前常见的手性纳米酶的设计合成手段，往往是通过手性配体（例如氨基酸和DNA等等）在非手性纳米酶催化中心的表面修饰。经过此类精心设计，外消旋体底物在到达活性中心之前，通过手性配体的特定筛选，使得一种构型比另一种构型更容易与催化中心接触，从而实现差异化的催化效率。例如，曲晓刚课题组报道的介孔二氧化硅负载的D-/L-cysteine@Au NPs纳米酶，表现出对手性多巴底物的对映选择性[1]。然而，天然酶的选择性不仅仅是体现在组成其氨基酸的分子手性，也体现在酶蛋白的空间排列和折叠效应所产生的超分子手性微环境。因此，将具有超分子手性微环境的生物手性物质与纳米酶结合的方法也是构建对映选择性纳米酶的一种有效途径。例如，余志林课题组报道构建了由扭曲的多肽纳米带和Au纳米颗粒组成的超分子手性纳米酶[2]。扭曲的肽纳米带所具有的超分子手性空间微环境赋予了所制备手性纳米酶对手性多巴底物突出的对映选择性。虽然上述策略已被证明是有效的，但手性分子必须参与其中。所以，如果在无手性诱导分子的情况下，单靠超分子框架本身的手性，以及超分子框架手性对纳米催化中心的手性传递，能否为对映选择性催化提供不对称催化信息，是手性催化领域研究的难点问题。
鉴于此，扬州大学韩杰研究团队构建了一种由不含任何手性分子的M-聚苯胺（M-PANI）扭曲纳米带和三种不同尺寸（3、10和16 nm）的金纳米颗粒（Au NPs）组成的超分子纳米复合材料作为手性过氧化物模拟酶。扫描电子显微镜、透射电子显微镜、紫外-可见吸收光谱和X射线光电子能谱结果证实了M-PANI-Au超分子纳米复合材料的成功制备。同时，圆二色光谱显示M-PANI-Au超分子复合材料具有清晰的手性信号，表明它们在手性纳米催化方面具有潜在应用。以手性R-/S-3,4-二羟基苯丙氨酸（R-/S-DOPA）对映体的催化氧化为模型反应，该类纳米酶对R-DOPA的催化选择性均高于对S-DOPA。进一步研究表明，得益于超分子手性聚苯胺载体和3 nm Au NPs之间的强手性传递作用，3 nm Au NPs（2.59）负载的M-PANI比10 nm Au NPs（1.46）和16 nm Au NPs（1.58）负载的M-PANI具有更高的选择因子。这一发现阐明了手性转移是调控对映选择性催化的关键影响因素，为负载型超分子手性纳米酶的构建和设计提供了方向和指导。相关研究成果以“Construction of Supramolecular Chiral Polyaniline-Gold Nanocomposite as Nanozyme for Enantioselective Catalysis”为题，作为封面文章发表于《物理化学学报》（Acta Phys. -Chim. Sin.）上。扬州大学博士研究生袁干印为第一作者，韩杰、孙晓环、奚政为共同通讯作者。
研究内容
1、超分子手性M-PANI-TA-Au纳米酶的合成与表征
图1. (a) M-PANI-TA-Au纳米复合材料的合成示意图；(b) M-PANI-TA-Au(16)、(c) M-PANI-TA-Au(10)和(d) M-PANI-TA-Au(3)的TEM图；(e) M-PANI-TA-Au(3)中Au NPs的HRTEM图；(f) M-PANI-TA-Au(3)的STEM图像；(g-j) 分别为M-PANI-TA-Au(3)中Au、C、N和S的元素分布图。
首先通过单手性樟脑磺酸分子（R-CSA）在苯胺低聚物的辅助下可以合成具有扭曲纳米结构的手性聚苯胺。然后通过氨水处理，扭曲纳米结构的去掺杂聚苯胺仍然能够保留手性而不含有手性诱导分子R-CSA。如图1a所示，通过将得到的超分子手性去掺杂聚苯胺和巯基乙酸（TA）结合，在TA的吸附和稳定作用下，可以将不同粒径Au NPs均匀地负载在向左扭曲的超分子手性聚苯胺（M-PANI）的表面，形成M-PANI-TA-Au纳米复合物。透射电镜与扫描透射电镜清晰地展示了Au NPs在M-PANI表面均匀吸附（图1b-1j）。图2a-b为超分子手性M-PANI-TA和M-PANI-TA-Au复合物的圆二色（CD）光谱图和紫外光谱图。M-PANI-TA的CD光谱在约450 nm处具有正向Cotton效应（图2a）。而负载AuNPs后，所有M-PANI-TA-Au复合物的CD光谱在约530 nm处出现新的鼓峰（图2b）。因此表明超分子手性聚苯胺的手性向Au NPs实现了转移。对于不同粒径Au NPs的负载，3 nm Au超分子复合物（M-PANI-TA-Au(3)）在约550 nm处具有最强的CD信号，这表明超分子手性聚苯胺向3 nm Au NPs的手性传递更强和产生的手性排列更多。同时通过X射线光电子能谱（XPS，图2c）中Au与-SH的相互作用分析，进一步验证超分子手性聚苯胺向3 nm Au NPs的强手性信号传递。
图2. (a) M-PANI-TA和三种M-PANI-TA-Au纳米复合材料的CD和UV-Vis吸收光谱图；(b) (a)图中~530 nm处的放大图；(c) M-PANI-TA和三种M-PANI-TA-Au纳米复合材料的XPS S2p精细谱图。
2、超分子手性M-PANI-TA-Au纳米酶的手性催化性能研究
图3. R/S-DOPA浓度为1500 μmol∙L−1时，(a) M-PANI-TA-Au(16)、(b) M-PANI-TA-Au(10)和(c) M-PANI-TA-Au(3)对R/S-DOPA的催化动力学曲线（475 nm）；(d) M-PANI-TA-Au(16)、(e) M-PANI-TA-Au(10)和(f) M-PANI-TA-Au(3)分别催化R/S-DOPA氧化的Michaelis-Menten曲线；(g) M-PANI-TA-Au(16)、(h) M-PANI-TA-Au(10)和(i) M-PANI-TA-Au(3)催化R/S-DOPA反应的活化能。
具有手性的药物一般只有一种构型有治疗效果，而另外一种构型可能无效甚至是有害的。例如治疗帕金森的药物S-DOPA具有良好的治疗效果，而R-DOPA会造成内粒状白细胞的减少。这说明手性分子的识别和催化具有重要意义。手性聚苯胺对氨基酸具有良好的吸附选择性，即其中一种构型的氨基酸更易于被吸附在单手性聚苯胺表面，表现出具有良好的手性识别和拆分效果。为了验证超分子手性M-PANI-TA-Au的手性催化效果，该工作以氨基酸衍生物手性多巴分子（R-/S-DOPA）的酶催化反应作为模型，测试M-PANI-TA-Au分别对S-DOPA和R-DOPA的催化活性。如图3a-3c与示意图图4所示，三种不同Au NPs粒径负载的超分子手性M-PANI-TA-Au纳米酶对R-DOPA的催化活性都比对S-DOPA的催化活性高。其中，通过米氏动力学方程饱和曲线对手性DOPA氧化催化的动力学参数的测定（图3d-3f），以及选择性因子的计算，发现超分子手性M-PANI-TA-Au(3)具有最好的手性选择性（选择性因子2.59）, 这归功于超分子手性聚苯胺的手性向3 nm Au NPs更强的手性转移。同时，根据阿伦尼乌斯方程测定得到的催化反应的活化能数据也可以看出（图3g-3i），M-PANI-TA-Au(3)对手性DOPA的催化活化能具有最大的差异，这也解释了所设计的纳米酶的对映选择性差异的大小。
图4. 不同M-PANI-TA-Au纳米酶催化R/S-DOPA生成多巴色素的示意图。
研究总结
该研究设计了一类能够模拟天然酶进行手性催化氧化的纳米酶。在该纳米酶中，具有过氧化物酶模拟酶活性的金纳米颗粒被用做催化活性位点，而具有超分子手性的聚苯胺被用做手性载体。超分子手性M-PANI-TA-Au纳米酶对R-DOPA的催化氧化效果更高，同时与负载大尺寸的Au NPs手性纳米酶相比较，较小尺寸的Au NPs的负载更加有利于手性选择。该研究表明超分子手性聚苯胺载体向Au NPs的手性转移是实现和控制手性催化效果的关键，而手性较强和螺旋结构可控的超分子手性聚苯胺是构建高选择性手性纳米酶的优秀材料。
课题组简介
韩杰：扬州大学化学化工学院，教授，博士生导师，国家优青获得者。近年来致力于导电高分子功能材料的组装与催化，手性纳米材料的合成及在催化和生物医学等方面的应用研究。先后主持国家自然科学基金项目5项，在J. Am. Chem. Soc., Adv. Mater., Prog. Polym. Sci.等杂志上发表SCI论文150余篇。
孙晓环：扬州大学化学化工学院，副教授，硕士生导师。近年来致力于超分子组装调控及生物应用研究。以第一/通讯作者在Angew. Chem. Int. Ed., Small等杂志上发表SCI论文10余篇。主持国家自然科学基金青年项目1项。
奚政：扬州大学化学化工学院，特聘教授，博士生导师。近年来致力于贵金属纳米材料的精细调控合成与模拟酶催化相关的生物检测应用。共发表SCI论文30余篇，其中以第一/通讯作者在J. Am. Chem. Soc., Nano Lett.等重要国际期刊发表论文11篇。主持国家自然科学基金青年项目与江苏省自然科学基金青年项目各1项。
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