纳米酶作为一种新型纳米材料，虽然可以一定程度上替代传统天然酶的催化作用，但对于催化活性中心和催化活性之间的构效关系研究依旧十分模糊。具有精确结构的金属纳米团簇是研究纳米酶催化构效关系的的理想模型。近日，安徽大学物质科学与信息技术研究院/中国科学院合肥物质科学研究院固体物理研究所开发了由氮膦和硫醇配体保护的纯铜纳米团簇，从结构出发模拟了天然漆酶（Laccase）的氧化酶活性，揭示了金属纳米团簇酶的构效关系。相关研究成果发表在ACS Nano 期刊上，且评选为封面论文。安徽大学硕士研究生王欢、林春莲和凡恩为该论文的共同第一作者，安徽大学/中科院固体物理所伍志鲲，安徽大学李漫波、赵燕为共同通讯作者，安徽大学物质科学与信息技术研究院为第一单位。
基于该团队前期金属纳米团簇酶的研究基础上，该工作系统地研究了利用氮膦（L）和硫醇配体（HS-Adm）共同保护的纯铜纳米团簇酶的催化效果（图1）。（i）受天然漆酶的启发，合成了原子精确的Cu36L7(S-Adm)3(OAc)Cl3纳米团簇酶，类似于天然漆酶的结构和功能。（ii）酶催化机制研究，清楚地表明Cu36L7(S-Adm)3(OAc)Cl3纳米团簇酶催化氧气（O2）转化为超氧自由基（O2•−），导致2，4-二氯苯酚（2,4-DP）和4-氨基安替比林(4-AP)的氧化结合，从而表现出漆酶样活性。（iii）与天然漆酶相比，Cu36L7(S-Adm)3(OAc)Cl3表现出更高的催化活性、增强的稳定性和对各种条件的环境适应性。此外，Cu36L7(S-Adm)3(OAc)Cl3具有更好的底物适用性，并且可以选择性地识别肾上腺素（NE）。这种在结构上模拟天然酶结构的新颖纳米酶合成策略，在金属纳米团簇的模板基础上可以更好的研究纳米酶的催化构效关系。
图1. Cu36L7(S-Adm)3(OAc)Cl3纳米团簇酶的类漆酶催化活性。
在该团队前期金属纳米团簇酶的研究基础上（Small 2023, 19, e2207936），该工作在氮膦（L）配体和硫醇配体（HS-Adm）共同保护下合成了纯铜纳米团簇酶Cu36L7(S-Adm)3(OAc)Cl3，且在结构上与天然漆酶的催化活性中心的结构组成十分相似。以往报道中显示的天然漆酶由金属铜离子和组氨酸和半胱氨酸组成。该团队通过晶体学报告剖析了精确结构的Cu36L7(S-Adm)3(OAc)3+纳米团簇酶，由7个Cu2L单元、3个金刚硫醇（HS-Adm）配体和1个乙酸根离子（CH3COO-）稳定的Cu22核心组成。与天然漆酶相比，有十分类似的催化活性结构，这与以往报道的纳米酶有质的不同（图2，图3）。
图2. (a、b) 天然漆酶的结构。(c) Cu36L7(S-Adm)3(OAc)3+的合成路线。(d) Cu36L7(S-Adm)3(OAc)Cl3的Cu原子键合模式，类似于天然漆酶。
图3. (a) Cu36L7(S-Adm)3(OAc)3+的总结构。(b) Cu36L7(S-Adm)3(OAc)3+的三个部分。(c) 第I部分中的Cu-N和Cu-S键长。(d) 第II部分的结构。(e) 第III部分中的Cu-O键长。
由于配位模式与天然漆酶的活性位点类似，以2,4-二氯苯酚（2,4-DP）和4-氨基安替比林（4-AP）为底物，通过显色反应研究了Cu36L7(S-Adm)3(OAc)3+的漆酶样活性。且Cu36L7(S-Adm)3(OAc)3+可以有效的催化多种酚类污染物，表现出比漆酶更高的催化活性和优异的底物适用性（图4）。
图4. Cu36L7(S-Adm)3(OAc)3+的催化性质。(a) 7组对照的UV-vis/NIR光谱。(b-e) Cu36L7(S-Adm)3(OAc)3+和Laccase的Michaelis-Menten曲线和动力学参数。(f) Cu36L7(S-Adm)3(OAc)3+和Laccase对各种酚类污染物的相对催化活性对比。
除此之外，儿茶酚胺对于调节心血管、神经和内分泌系统等众多功能十分重要。而Cu36L7(S-Adm)3(OAc)3+纳米团簇酶具有催化儿茶酚胺，氧化关键酚类神经递质的功效，包括L-DOPA （LD）、多巴胺（DA）、肾上腺素（EP）和去甲肾上腺素（NE）（图5）。
图5. (a) 催化肾上腺素示意图。(b-d) Cu36L7(S-Adm)3(OAc)3+和Laccase对于肾上腺素的催化活性对比。(e) 比色传感平台的选择性实验。(f) Cu36L7(S-Adm)3(OAc)3+纳和Laccase对各种儿茶酚胺的相对催化活性对比。
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Gram-Scale Synthesis of a Laccase-Like Cu36 Nanocluster with Enhanced Catalytic Activity and Stability
Huan Wang (王欢),# Chun-Lian Lin,# En Fan,# He-Tao Yin, Sheng Zhang, Yan Zhao,* Man-Bo Li* and Zhikun Wu*
ACS Nano 2025, DOI: 10.1021/acsnano.5c06249
