工程化镧系金属-有机框架核酸酶纳米酶：揭示基于亲和力的DNA水解机制

《Aggregate》：Engineering Lanthanide Metal-Organic Framework Nuclease Nanozymes: Unveiling Affinity-Driven DNA Hydrolysis

DNA水解机制与镧系MOFs纳米酶活性关系研究及其在生物传感中的应用

　　本文介绍了一项关于利用新型纳米酶——镧系金属有机框架（Ln-MOFs）进行DNA水解的研究。研究者通过构建一系列以不同镧系离子为金属中心的Ln-MOFs，发现其水解活性与传统认知中的“Lewis酸性”机制存在显著差异，从而挑战了现有理论，并提出了以“亲和力驱动”为核心的新型催化机制。这项研究不仅揭示了纳米酶与DNA之间的复杂相互作用，还为开发高效的DNA水解纳米酶提供了新思路，并在生物传感领域展现了其应用潜力。

DNA是遗传信息的重要载体，其在生理条件下表现出极高的稳定性，这使得DNA的水解成为分子生物学和生物技术中的关键过程。然而，天然核酸酶在非生理条件下往往表现出活性下降，限制了其在复杂或极端环境中的应用。为解决这一问题，科学家们开始探索基于纳米材料的核酸酶模拟物，即纳米酶。这些纳米酶具备成本低、稳定性强、可重复使用等优势，因此在生物传感、治疗和环境修复等领域具有广泛的应用前景。尽管如此，目前关于纳米酶在DNA水解中的研究仍处于初级阶段，尤其是在结构与活性之间的关系方面，缺乏系统的分析。

研究者选择了八个不同的三价镧系离子（Ce3?、Nd3?、Eu3?、Gd3?、Tb3?、Ho3?、Er3?和Yb3?）作为金属中心，结合对苯二甲酸（H?BDC）作为配体，合成了一系列Ln-BDCs。这些材料的结构和组成通过多种技术进行了表征，包括X射线衍射（PXRD）、傅里叶变换红外光谱（FT-IR）、X射线光电子能谱（XPS）、电感耦合等离子体发射光谱（ICP-OES）和透射电子显微镜（TEM）。结果表明，所有合成的Ln-BDCs均具有良好的结晶性和均匀的金属分布，为后续研究奠定了基础。

在对这些材料进行DNA水解活性测试时，研究者发现其催化效率与镧系元素的原子序数呈正相关，其中Yb-BDC表现出最高的DNA水解活性（半衰期约为30分钟），而其对传统模型底物——双(4-硝基苯基)磷酸酯（BNPP）的活性却显著低于其他纳米酶。这一发现表明，DNA水解的活性并非由单纯的Lewis酸性决定，而是与纳米酶与DNA之间的结合-释放循环密切相关。这为纳米酶的设计和优化提供了新的方向，即不再依赖于传统的酸性调控机制，而是关注于如何通过调控纳米酶与DNA的亲和力来提高催化效率。

进一步的研究揭示了DNA水解的可能机制。对于BNPP，其水解过程主要依赖于Lewis酸性，即金属中心对磷酯键的活化能力决定了反应速率。然而，对于DNA的水解，其过程更倾向于由纳米酶与DNA之间的动态结合和释放所主导。通过等温滴定量热法（ITC）和荧光实验，研究者发现，Yb-BDC与DNA的结合主要是通过疏水相互作用实现的，而这种结合的强度随着镧系元素原子序数的增加而减弱。这表明，DNA的水解效率并非与结合力直接相关，而是与纳米酶的释放速率有关。弱结合意味着更强的释放能力，从而促进了更多的催化循环，提高了水解效率。

此外，研究者还利用Yb-BDC开发了一种基于CRISPR/Cas的生物传感平台，结合滚环扩增（RCA）技术，实现了对非核酸目标（如肌红蛋白）的高灵敏度检测。该平台通过将Yb-BDC与DNA结合，抑制其水解活性，随后通过目标分子（如肌红蛋白）的结合诱导DNA释放，从而激活Yb-BDC的水解能力，生成可被RCA扩增的模板DNA。这种设计不仅避免了传统RCA方法中对连接酶和天然核酸酶的依赖，还显著提升了检测灵敏度，使其能够检测到低至0.05 pg/mL的肌红蛋白，显示出优于现有方法的性能。

该研究还通过一系列对照实验验证了Yb-BDC的水解机制。例如，通过加入Triton X-100，研究者发现该非离子型表面活性剂能够有效降低Yb-BDC与DNA的结合力，从而增强其水解活性。同时，通过排除氧气的影响，确认了Yb-BDC的水解反应并不依赖于活性氧（ROS）的生成，而是通过水解作用直接进行。此外，通过液相色谱-电喷雾电离-质谱（LC-ESI-MS）分析，进一步排除了氧化性水解的可能性，证明了Yb-BDC对DNA的水解是典型的酶促水解过程。

研究者还探讨了不同DNA结构对Yb-BDC水解活性的影响。实验表明，Yb-BDC对单链DNA（ssDNA）表现出较强的水解能力，尤其是对富含胸腺嘧啶（T）的单链DNA，如pT80，具有较高的选择性。然而，对于双链DNA（dsDNA）和超螺旋DNA（pDNA），其水解效率相对较低。这一现象可能与双链DNA的结构特性有关，即其双螺旋结构可能阻碍了Yb-BDC对磷酸二酯键的直接作用，从而影响了催化效率。

为了进一步探索Yb-BDC与DNA之间的相互作用，研究者利用等温滴定量热法（ITC）和XPS等技术，系统地分析了不同Ln-BDCs与DNA的结合特性。结果表明，Yb-BDC与DNA的结合亲和力（由K?表示）随着镧系元素原子序数的增加而降低，而水解活性则呈现上升趋势。这一现象表明，纳米酶与DNA之间的亲和力并非决定其催化效率的关键因素，反而弱结合可能更有利于催化循环的进行。此外，研究还发现，Yb-BDC与DNA的结合过程主要由熵驱动，而非焓驱动，这为理解纳米酶与生物分子之间的相互作用提供了新的视角。

基于这些发现，研究者提出了一个“亲和力驱动”的DNA水解模型。这一模型认为，纳米酶的活性不仅取决于其Lewis酸性，还与DNA的结合-释放动态密切相关。传统的BNPP模型虽然能够反映Lewis酸性对水解效率的影响，却无法准确评估纳米酶对DNA的催化能力。因此，研究者建议在评估纳米酶的水解活性时，应优先使用DNA作为底物，而非BNPP，以更真实地反映其在生物系统中的行为。

在实际应用方面，研究者将Yb-BDC与RCA技术结合，构建了一种新型的生物传感平台。该平台能够实现对非核酸目标分子的高灵敏度检测，特别是在肌红蛋白（Myo）的检测中表现出优异的性能。实验结果显示，该方法在检测0.2–100.0 pg/mL范围内的肌红蛋白时，具有较低的检测限（LOD）和良好的回收率（92.0%–109.3%），并表现出良好的选择性和抗干扰能力。此外，该方法与传统的酶联免疫吸附测定（ELISA）在检测人类血清样本时表现出高度一致性，进一步验证了其在实际应用中的可靠性。

本研究的成果不仅为纳米酶的设计提供了新的理论依据，还拓展了其在生物传感领域的应用前景。通过将Yb-BDC与RCA技术结合，研究者成功开发了一种无需连接酶和天然核酸酶的生物传感系统，这在临床诊断和环境监测等方面具有重要意义。此外，研究者还强调了在设计高效纳米酶时，需要考虑其与底物之间的动态结合-释放过程，而非单纯依赖于Lewis酸性。这一发现有助于推动纳米酶在更广泛领域的应用，特别是在需要高催化效率和高稳定性的场景中。

总体而言，本研究揭示了纳米酶与DNA之间的亲和力在催化过程中的关键作用，挑战了传统以Lewis酸性为核心的催化机制。Yb-BDC作为研究中最具代表性的纳米酶，不仅在DNA水解方面表现出优异的性能，还在生物传感领域展现出巨大潜力。通过构建基于CRISPR/Cas的传感平台，研究者成功实现了对非核酸分子的高效检测，为未来生物传感技术的发展提供了新的思路。此外，研究者还强调了在设计纳米酶时，应结合不同的DNA结构进行系统评估，以确保其在实际应用中的广泛适用性。

本研究的发现具有重要的理论和实践意义。从理论层面看，它揭示了纳米酶与DNA之间的亲和力对催化活性的影响，挑战了传统认为Lewis酸性是主要驱动力的假设。从实践层面看，它为开发高效的DNA水解纳米酶提供了新的方法，同时也为生物传感技术的创新提供了新的工具。未来，随着对纳米酶与DNA相互作用机制的进一步研究，有望开发出更多具有特定功能的纳米酶，从而推动其在基因编辑、疾病诊断和环境监测等领域的应用。