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研究背景
自然界中的酶，除了简单酶（simple enzymes）之外，更多的是需要借助辅酶或辅基等辅因子的激活发挥催化功能的结合酶（conjugated enzymes）。天然的氧化还原酶在生物体的能量转换和催化反应中起着关键作用。在上述反应中，这些结合酶中辅因子介导的电子和质子转移是非常关键的过程。然而在目前的纳米酶研究中，多数关于类氧化还原酶纳米酶的报道仅仅关注对纳米材料拟酶活性的提高，并惯常将纳米酶视为模拟天然酶中那类无需辅因子参与、本身即具有活性的简单酶。因此，探索一类小分子或基团作为纳米酶的辅因子（无论是辅酶或辅基）模拟物的可能性，从而开发该纳米酶中未被激活的催化功能，这具有非常重要意义。
NADH是特别常见的辅因子，在很多天然酶中发挥着关键作用。在一些纳米酶的探索中，也会引入NADH以构建所需的纳米结构。然而，NADH在这些纳米酶中，常常未能发挥其原本作为辅因子而应有的功能。那么，能否在纳米酶自身之上产生“纳米辅因子”，从而辅助纳米酶，赋予该纳米酶原本不具备的催化能力呢？
研究成果
在金属催化中，金纳米颗粒可以从醇、醛中获取电子和质子形成Au-H物种，并可以转移到其他反应底物上。这一转化路径和其中涉及的中间体，与天然的甲酸脱氢酶（FDH）所催化的反应及其中NADH所担任的角色有一定的相似之处。基于这些思考，湖南大学李昆教授课题组探索了Au纳米颗粒自生成的表面Au-H物种可以作为天然辅因子NADH的模拟物，使得类FDH金纳米酶在拥有辅基之后能够模拟多种酶的功能。在AuNP-Au-H这种“纳米结合酶”（conjugated nanozyme）中，电荷可以进一步从Au-H物种转移到分子氧、氧化性有机小分子、或酯中的羰基上，进而促使类FDH金纳米酶模拟多种氧化还原酶和酯酶等。该论文近期发表于ACS Nano，第一作者是湖南大学博士生李旭。
内容解读
为避免柠檬酸保护的金纳米颗粒（Au NPs）团聚，将其负载到惰性的SiO2表面（图1）。Au NPs可催化一系列含醛基化合物的有氧氧化，O2随之转化为H2O2。Au NPs对甲酸盐具有最好的催化效果。
Fig 1. Aerobic formate oxidation catalyzed by FDH-mimicking Au Nanozymes
甲酸盐存在时，在类FDH金纳米酶表面原位形成了Au-H物种（图2）。Au0/Au-H物种之间的转换，与天然的NAD+/NADH之间的转换可做类比，并发挥了相似的助催化功能。Au NP-Au-H纳米结合酶有着类似于天然的FDH-NADH结合酶体系的结构和功能，从而模拟其构效关系，因此Au-H物种可以看作Au纳米酶的辅基。
Fig 2. Au-H species as self-generated prosthetic groups on FDH-mimicking Au nanozymes
对类FDH金纳米酶催化甲酸有氧氧化的过程进行了反应动力学分析（图3）。计算得到了Kcat/Km和比活度等参数，并与天然的FDH进行了比较。
Fig 3. Michaelis−Menten kinetics (a) and Lineweaver−Burk plot (b) of the aerobic formate oxidation catalyzed by FDH-mimicking Au nanozymes
AuNP-Au-H纳米结合酶可以模拟甲酸氧化酶并构建级联体系，能够原位产生H2O2用于酪氨酸偶联（图4）。
Fig 4. Cascade aerobic reaction system by coupling with peroxidase
AuNP-Au-H纳米结合酶可以模拟硝基还原酶或醛酮还原酶，能够催化对硝基苯酚或苯甲醛还原（图5）。
Fig 5. Cascade aerobic reaction system by coupling with peroxidase
AuNP-Au-H纳米结合酶可以模拟酯酶，能够催化对硝基苯基甲酸酯水解（图6）。
Fig 6. Cascade aerobic reaction system by coupling with peroxidase
研究结论
该工作中具有类FDH活性的Au NP上自生成的Au-H物种作为纳米酶辅基，可以发挥与天然结合酶中NADH类似的辅因子作用，从而避免了纳米酶对外源辅因子的需求，展示了对辅因子模拟物的合理设计。这些成果有望启发纳米酶的研究中对模拟自然界中辅因子和脱辅酶的结构-功能关系的探索。
