导语
为了使生物系统能够适应复杂的环境变化，自然界产生了大量的天然酶来催化各种生化反应，特别是天然卤素过氧化物酶（HPO）广泛存在于自然界，以维持生命活动及产ROS杀灭病原体等。模拟天然酶生物催化活性和功能的人造酶材料材料近年来越来越受到研究人员的关注。目前对具有类HPO酶活性的人造酶材料在疾病诊疗的研究中已取得一些进展。然而，由于对人造酶材料催化活性中心电子结构的认识不足以及目前对ROS产生机制的不确定性等，大多数已开发的仿HPO人造酶材料的生物催化活性往往较低，亟待开创新型催化材料结构来模拟HPO酶活性位点。近日，四川大学高分子科学与工程学院程冲研究员带领的医工结合研究团队在该领域取得进展，相关成果发表在Advanced Materials（DOI: 10.1002/adma.202108646）。
图1. VOx-AE具有类似于天然HPO酶的VOx催化活性中心
（来源：Advanced Materials）
程冲研究员课题组简介
程冲研究员是四川大学高分子科学与工程学院特聘研究员，博士生导师，国家四青人才，四川省特聘专家，高分子材料工程国家重点实验室固定人员，洪堡学者。长期致力于开发面向临床重大疾病治疗的先进高分子生物医用制剂及生物仿生催化材料，特别是基于新型配位聚合物的微纳米结构设计、功能调控、大规模制备及前沿应用开发。以第一和通讯作者在Nature Materials、Chemical Reviews、Nature Communications、Science Advances、Advanced Materials（10篇）、Nano Today、Nano Letters（2篇）、Angewandte Chemie（3篇）、Advanced Functional Materials（6篇）、AdvancedScience、InfoMat、Small（4篇）、Nano-Micro Letters等国内外高水平期刊上发表论文80余篇，共发表论文120余篇，总引用6000余次，H-index为47，其中10篇入选ESI高被引，14篇封面论文。在申及授权中国发明专利19项，欧洲专利1项及PCT专利2项，并参编英文著作1章，担任InfoMat、Advanced Fiber Materials、Exploration、Chinese Chemical Letters等多个国际期刊的杂志（青年）编委。荣获2020年四川省医学青年科技奖（二等奖，排名第二）、2021川渝科技学术大会优秀论文奖（一等奖1项，二等奖1项）及四川大学优秀科技人才奖。
前沿科研成果
新型仿HPO人造酶材料高效催化产ROS抗菌
天然卤素过氧化物酶（HPO）酶在生物体产ROS杀灭病原体中发挥着重要生理作用，大然而目前已开发的仿HPO人造酶材料存在生物催化活性较低，催化机制不清晰等问题。为了解决该挑战，四川大学高分子科学与工程学院程冲研究员带领的医工结合研究团队首次提出利用独特的Zn-O-V桥结构构筑钒基的新型HPO人造酶材料（VOx-AE），通过调节VOx催化活性中心的d电子结构来有效提升人造酶材料催化产ROS性能，得益于独特的Zn-O-V电子转移，该人造酶展示出显著提升的催化转化H2O2产ROS抗菌活性。
图2. VOx-AE纳米晶的原子结构，高效的催化性能和产多种ROS的仿生催化能力
（来源：Advanced Materials）
研究人员通过显色反应、荧光标记物等方法检测到VOx-AE具有产多种ROS的性能，如•OH, •O2-，在有H2O2及Cl-同时存在时，该人造酶还能实现催化产次氯酸。通过酶动力学参数分析VOx-AE的Vmax是V2O5的2倍，TON是V2O5的3倍。进一步地，研究人员利用抗耐药菌及促创面愈合实验验证了该人造酶材料高效产ROS仿生催化性能在生物医学领域的应用前景。抗菌实验发现，VOx-AE+H2O2(0.1 mM)在~0.240 mg/mL的材料浓度下可实现100%的抗菌效率，远高于未改性的V2O5。VOx-AE产生的大量ROS可显著氧化细菌膜，改变细菌膜的通透性，最终破坏细菌膜实现高效抗菌。动物实验结果表明，VOx-AE的抗菌效果及促进创面愈合速度与万古霉素相当，可有效促进创面血管形成和降低组上修复过程中的炎性反应。
图3. HPO人造酶材料能有效实现抗菌并促进感染创面愈合
（来源：Advanced Materials）
在该论文中，研究人员从V催化中心的电子密度差异和Bader电荷分析比较了人造酶材料VOx-AE和V2O5的催化性能差异来源，认为是VOx-AE的催化活性中心（Zn-O-V桥）的bader电荷高于V2O5，使得Zn的电子可通过Zn-O-V桥向V活性中心发生转移，从而增强V催化中心的电子密度和催化活性。研究人员还首次利用dyz电子轨道的费米能级来系统解析了VOx-AE人造酶催化中心与H2O2相互作用的机制及仿酶催化转化过程。
图4：V催化活性中心的电子密度和Bader电荷分布
（来源：Advanced Materials）
图5：VOx-AE和V2O5与H2O2相互作用的机制分析和对比
（来源：Advanced Materials）
总结：
作者利用独特的Zn-O-V桥结构构筑钒基的新型HPO人造酶材料，该工作不仅极大地提升了VOx催化活性中心对H2O2催化转化的效率，还首次构筑具有能精确模仿HPO酶催化活性位点的人造酶材料，并建立催化活性中心电子结构和产ROS性能的构效关系，该原创性的研究理论和思路可为未来设计和制备高仿生催化活性的人造酶材料提供全新的指导思想。该工作以”Modulating Electron Transfer in Vanadium-based Artificial Enzymes for Enhanced ROS-Catalysis and Disinfection“为题发表在Advanced Materials（DOI: 10.1002/adma.202108646）上，第一作者为四川大学李玲，曹素娇博士为共同第一作者。通讯作者为四川大学程冲研究员、马朗副研究员、邱逦教授（论文作者：Ling Li, Sujiao Cao, Zihe Wu, Ruiqian Guo, Lan Xie, Liyun Wang, Yuanjiao Tang, Qi Li, Xianglin Luo, Lang Ma, Chong Cheng, Li Qiu）。
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