一系列功能性纳米材料已经出现，用于催化酶反应，这些材料统称为纳米酶。作为下一代酶模拟物，纳米酶在生物分析、治疗、环境保护、农业等领域展示了广阔的应用前景。迄今为止，它们已成功模拟了多种类型的酶，包括过氧化物酶、氧化酶、过氧化氢酶、超氧化物歧化酶、水解酶等。与酶类似，纳米酶的催化活性强烈依赖于pH值。通常，纳米酶在最佳pH值下表现最佳。然而，大多数纳米酶的一个长期存在的内在限制是，其最佳pH值通常与其实际应用中的操作pH值存在偏差。一个典型的例子是过氧化物酶样纳米酶，这类纳米酶已被广泛研究。虽然典型的过氧化物酶样纳米酶在酸性范围内具有最佳pH值，但其生物医学应用通常在生理pH值（通常为中性pH值）下进行。这种pH偏差导致纳米酶的活性显著降低，性能较差。尽管最近在设计高活性纳米酶方面做出了许多努力，但仍缺乏一种通用且有效的策略来解决pH限制问题。本文提出了一种微环境调控策略，以克服纳米酶的pH限制（图1）。
在这项研究中，展示了在金属有机框架（MOF）纳米酶内限制聚丙烯酸（PAA）和聚乙二胺（PEI）可以有效提高质子和氢氧根离子的局部浓度，分别导致局部pH值的降低和升高（图1）。调节后的pH值反过来增强了MOF纳米酶的过氧化物酶样和水解酶样活性。这种微环境调控策略不仅可以突破现有纳米酶的pH限制，从而拓宽纳米酶的应用范围，还可以为调节纳米催化剂的其他微环境特性开辟一条有前景的道路。
图 1：上图：金属酶和聚合物限制的MOF纳米酶活性位点周围的微环境示意图。下图：通过质子的捐赠和接受，限制的聚合物调节MOF纳米酶的微环境pH值。
图2. a. 2019年至2021年报道的过氧化物酶样纳米酶的最佳pH值。b. 将聚丙烯酸（PAA）限制在PCN-222-Fe纳米颗粒（NPs）内形成PCN-222-Fe@PAA NPs的示意图，导致催化活性位点附近的质子浓度增加，从而提升MOF纳米酶的活性。为清晰起见，放大模型未按比例绘制。c. 和 d. 分别为PCN-222-Fe NPs和PCN-222-Fe@PAA NPs的扫描电子显微镜（SEM）图像及插入的透射电子显微镜（TEM）图像，取自同一批次的纳米颗粒。e. 催化TMB过氧化反应的初始速率（v0）随pH值的变化，展示了pH对PCN-222-Fe NPs和PCN-222-Fe@PAA NPs过氧化物酶样活性的影响。f. 在室温下，使用5 µg/mL PCN-222-Fe NPs或PCN-222-Fe@PAA NPs在200 mM Tris缓冲液（pH 7.4）中，含0.2 mM TMB和0.2 mM H2O2的条件下，监测652 nm处吸光度（A652 nm）随时间的变化，以评估过氧化物酶模拟催化活性。插图为反应溶液的颜色变化照片。(e) 中的数据表示为平均值 ± 标准误差均值（SEM），n = 3。
图3. a. PCN-222纳米颗粒（NPs）和PCN-222@PAA纳米颗粒的方案。PCN-222 NPs的光吸收和荧光内在上对质子浓度有响应。b. 通过PAA修饰或引入HCl后的0.5 mg/mL PCN-222 NPs的照片。c. 和 d. 分别为PCN-222 NPs和PCN-222@PAA NPs的扫描电子显微镜（SEM）图像，取自同一批次的纳米颗粒。e. 在pH 7.4的Tris缓冲溶液中，不同浓度下10 µg/mL PCN-222 NPs和PCN-222@PAA NPs在445 nm和420 nm处的吸光度比值（A445 nm/A420 nm）。f. 在pH 7.4的Tris缓冲溶液中，不同浓度下20 µg/mL PCN-222 NPs和PCN-222@PAA NPs在660 nm处的归一化荧光强度。激发波长为420 nm。(e) 和 (f) 中的数据分别表示为平均值 ± 标准误差均值（SEM），n = 3和n = 4。所有数据均表示为三次实验的平均值±标准误差。
图4.a. 系统的横截面视图。b. 系统的侧面视图。MOF的质心位于(0, 0, 0)，通道沿Z轴对齐。整个系统的Z方向长度为120 Å，其中−43 Å到43 Å是MOF的范围，其余部分是厚度约为34 Å的水层。五条PAA链用不同颜色表示。蓝色和紫色球体分别代表Tris基团的氮原子和氯离子。水合氢离子用填充模型显示。c. 22/5系统中PAA的电荷和质量分布。浅粉色和灰色背景分别表示摩尔质量和总电荷的误差带。d. 22/5 PAA链在受限环境中显示出相对较窄的分布，链之间的重叠较少。e. 水合氢离子通过孔隙的渗透自由能。曲线的形状与PAA的分布高度相关。两个快照显示了水合氢离子与PAA的代表性结合模式。f. 27/0系统的相应信息显示在(f)到(h)中。
图5.a. 氧化酶和过氧化物酶模拟纳米酶之间的pH不匹配示意图，可以通过微环境pH调节来克服。b.由氧化酶与过氧化物酶模拟纳米酶耦合的一锅法级联反应示意图，可以通过微环境pH调节实现。c. D-氨基酸氧化酶（DAAO）在pH 4.0和7.4下的相对活性。d. 监测pH 4.0和7.4下DAAO与PCN-222-Fe NPs耦合的级联反应，以及pH 7.4下DAAO与PCN-222-Fe@PAA NPs耦合的级联反应的652 nm处吸光度（A652 nm）随时间变化。e. L-氨基酸和D-氨基酸的示意图，可以通过DAAO/MOF纳米酶级联反应进行识别。f. 通过DAAO/PCN-222-Fe@PAA级联反应对丙氨酸进行手性识别的A652 nm随时间变化。g. 使用酶标仪通过DAAO/PCN-222-Fe@PAA级联反应对手性识别四种天然氨基酸（包括丙氨酸、缬氨酸、脯氨酸和异亮氨酸）的光密度在652 nm（OD652 nm）。h. 使用酶标仪通过DAAO/PCN-222-Fe@PAA级联反应对手性识别上述天然氨基酸的585 nm处荧光强度（I585 nm）。激发波长为560 nm。i. 使用DAAO/PCN-222-Fe@PAA级联反应对四种非天然氨基酸进行手性识别的I585 nm。(c, g, h, 和 i) 中的数据表示为平均值 ± 标准误差均值（SEM），n = 3。
图6.a. Zr-MOF和Zr-MOF@PEI/PEGDE的结构示意图，显示微环境氢氧根离子增加，以及底物pNPP的催化水解增强。b. 和 c. 分别为MOF-808 NPs和MOF-808@PEI/PEGDE NPs的扫描电子显微镜（SEM）图像，取自同一批次的纳米颗粒。d. 和 e. 分别为pNPP溶液在与MOF-808 NPs和MOF-808@PEI/PEGDE NPs孵育20分钟后，紫外-可见光谱的变化。f. Zr-MOF NPs和Zr-MOF@PEI/PEGDE NPs（包括MOF-808 NPs、UiO-66 NPs、NH2-UiO-66 NPs、UiO-67 NPs和NU-1000 NPs）与pNPP孵育20分钟前后，在407 nm处的吸光度变化（ΔA407 nm）。数据表示为平均值 ± SEM，n = 3。
论文链接（DOI）：
https://www.nature.com/articles/s41467-024-55163-4
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