手性纳米酶的制备及应用研究

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手性是生命最显著的生化特征之一。大多数重要的生命物质,如糖、氨基酸、蛋白质和核酸都是手性的。生命系统的手性与很多生物过程密切相关,对映体与受体、酶和离子通道等手性靶点通过差异相互作用表现出显著不同的效果。纳米酶是一类既有纳米材料的独特性能,又有天然酶催化功能的模拟酶,包括无机纳米模拟酶、聚合物纳米模拟酶、超分子自组装纳米模拟酶、蛋白质和抗体模拟酶等。与天然酶相比,纳米酶具有很多无法比拟的优异性能,它具有更高的物理化学稳定性、更低廉的制备成本、更简单可控的制备方法,而且具有优异的催化活性。然而,它缺乏天然酶在催化过程中所表现的独特的对映选择性,对映选择性是酶促反应的重要特征,因此,赋予纳米酶对映选择性对于更有效地模拟天然酶的催化功能具有非常重要的意义。目前,关于构建手性纳米酶模拟天然酶对映选择性的研究还很少。本论文构建了两种手性纳米模拟酶。一方面,构建了基于分子印迹的手性印迹纳米酶,在此基础上,研究了手性印迹纳米酶的对映选择性识别和催化作用,另一方面,构建了基于手性配体的手性单链聚合物纳米酶并对其进行了表征。本论文的主要研究内容如下:(1)论文第2章首先通过水热法得到四氧化三铁纳米颗粒(Fe3O4 NPs),作为模拟过氧化物酶活性的模型纳米酶,然后以L/D-酪胺醇为模板分子,丙烯酰胺与N-异丙基丙烯酰胺为功能单体,通过沉淀聚合将手性印迹聚合物包覆在Fe3O4 NPs表面,从而得到分子印迹聚合物作为非手性表面配体的手性印迹纳米酶(L/D-MIP)。通过透射电镜(TEM)、傅里叶变换红外光谱(FT-IR)和热重分析(TGA)证明了Fe3O4 NPs表面成功包覆上手性印迹聚合物。通过酶动力学研究和石英晶体微天平(QCM)吸附研究,探索了手性印迹纳米酶对手性底物的催化行为和吸附行为的差异。结果表明L-MIP对模板分子L-酪胺醇有更高的亲和识别能力、更高的催化活性,而对D-酪胺醇识别能力和催化活性较弱。与之相反,D-MIP对L-酪胺醇识别能力和催化活性较弱,而对模板分子D-酪胺醇有更高的亲和力和催化活性。结果证明了通过分子印迹能够在纳米酶表面形成特定的手性印迹位点,成功实现对映体选择性识别和催化。(2)论文第3章首先合成染料罗丹明B标记的L/D-酪胺醇,然后以这两种手性荧光分子为模板,Fe3O4 NPs作为模拟酶,在第二章的研究基础之上,制备得到手性印迹纳米酶(RB-L/D-MIP)。通过酶动力学研究和QCM吸附研究发现,RB-L-MIP对模板分子RB-L-Tyr有更高的亲和识别能力,更高的催化活性,而对RB-D-Tyr识别能力和催化活性较弱。相应地,RB-D-MIP对RB-L-Tyr识别能力和催化活性较弱,而对模板分子RB-D-Tyr有更高的亲和力和催化活性,进一步证明分子印迹能够成功实现纳米酶对手性底物的对映选择性识别和催化。此外,本章建立了荧光强度与纳米酶对映选择性催化活性之间的关系,考察了手性印迹纳米酶在细胞水平的对映选择性催化能力,通过荧光显微成像和流式细胞分析更为直观的监测了手性印迹纳米酶的对映选择性。(3)论文第4章将手性配体L-苯丙氨酸引入单链聚合物纳米颗粒(SCPNs)中,制备了四种不同金属卟啉配合物作为催化活性中心的SCPNs,包括Fe-、Cu-、Zn-和Co-SCPNs。手性SCPNs由以下四部分功能单体组成,包括水溶性的聚乙二醇侧链、诱发氢键诱导的聚合物折叠的苯-1,3,5-三甲酰胺(BTA)部分、金属卟啉催化活性中心和手性配体L-苯丙氨酸。通过透射电镜(TEM)、原子力显微镜(AFM)观察到SCPNs具有球形形貌,通过圆二色谱(CD)对SCPNs的手性特性进行了表征分析,四种手性SCPNs在238 nm均具有负的科顿效应,进一步说明了基于BTA单元诱发氢键诱导的聚合物纳米颗粒的形成。结果表明成功制备了手性SCPNs。
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