英文原题：Bimetal Biomimetic Engineering Utilizing Metal–Organic Frameworks for Superoxide Dismutase Mimic
通讯作者：周全，南方医科大学第三附属医院放射科；黄思铭，广州医科大学药学院；陈国胜，中山大学化学学院
作者：Tong Wu (吴童), Huangsheng Yang (杨煌盛), Niru Ye (叶倪茹), Linjing Tong (童琳净), Gangfeng Ouyang (欧阳钢锋)
背景介绍
超氧化物歧化酶(SOD)是生物体内最重要的抗氧化酶，具有清除超氧阴离子(O2•−)、保护机体的作用；其中，铜/锌-SOD (Cu/Zn-SOD) 由于其高效的O2•−清扫功能，是一类具有广阔研究前景的治疗药物。然而，天然SOD存在提取纯化过程复杂、回收利用困难以及应用中容易发生免疫反应等局限性，严重阻碍了其在生物领域的应用。近年来，纳米酶作为一种具备酶学活性的纳米材料得到了广泛的关注。目前已报道的类SOD纳米酶通常伴有其它多种酶的活性，从而降低了它们清除O2•−的专一性和能力。在自然界中，高度可编程的蛋白质支架赋予酶的活性中心独特的微环境，并确保酶催化过程的高效性和专一性。因此，模拟SOD的微环境有望为构建新一代的SOD纳米酶提供新的思路。
文章亮点
近日，南方医科大学周全教授，广州医科大学黄思铭教授及中山大学陈国胜副教授团队证明利用双金属MOF（MOF-818）独特的拓扑结构模拟Cu/Zn-SOD的可能性。如图1所示，天然Cu/Zn-SOD的催化过程依赖于通过组氨酸(His)桥联的Cu-Zn双金属中心；从晶体结构上看， MOF-818的金属节点（Cu和Zr）通过配体 (4-吡唑羧酸，H2PyC) 桥接并成对排列，具有类似Cu/Zn-SOD的双金属活性中心结构。
图1. (a) Cu/Zn- SOD的活性中心结构；(b) MOF-818具有类Cu/Zn-SOD的仿生微环境
天然Cu/Zn-SOD的催化活性与Cu(I)-Cu(II)之间的循环效率密切相关，其中Cu(II)对于催化过程的触发起着关键性作用。系统的实验揭示具有仿生结构的MOF-818展示出专一的SOD活性，且结构中Cu(II)与Cu(I)的比值会显著影响类SOD活性；Cu(II)的含量越高，其结构的类SOD活性越优异。同时，密度泛函理论计算表明，MOF-818中Zr SBU的空间排布会显著降低Cu(II)-Cu(I)的活性能垒，表明Zr-Cu的双金属仿生结构有利于Cu(I)-Cu(II)的循环转化，并促进催化过程，这种协同催化作用类似于天然Cu/Zn-SOD。
MOF-818在消除O2•−的过程中可产生H2O2，而生成的H2O2在过氧化物酶的催化下可氧化2,2'-联氮-双-3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸（ABTS）产生可视化的颜色信号。另一方面，磷酸化多肽或蛋白可与MOFs-818中Zr金属节点发生配位作用，影响Zr SBU的微环境从而抑制MOF-818的类SOD活性。基于上述原理，本文构建了基于MOF-818的磷酸化多肽、蛋白质的比色传感平台，具有优异的选择性和抗干扰能力，证明双金属仿生MOFs平台在生物传感中的应用前景（图2）。
图2. (a) MOF-818传感器检测磷酸化物种包括多肽和蛋白质的示意图；(b)不同浓度磷酸化多肽对MOF-818类SOD活性的抑制率曲线；(c) 比较磷酸化多肽和非磷酸化多肽对MOF-818的类SOD活性的抑制作用；(d) 不同浓度磷酸化蛋白（鸡蛋卵清蛋白，OVA）对MOF-818类SOD活性的抑制率曲线；(e) MOF-818对磷酸化蛋白的选择性，OVA为磷酸化蛋白，其余为非磷酸化蛋白。
总结/展望
本课题验证了双金属仿生MOFs模拟Cu/Zn-SOD的优势，其活性和特异性明显优于许多单金属（Cu或Zr）MOF的SOD纳米酶。双金属MOF结构具有优异的可编程性，为模拟天然酶，特别是双金属酶，提供了一个丰富的化学平台，并在生物传感、催化、纳米医药等方面均具有重要的应用前景。
相关论文发表在期刊ACS Materials Letters上，南方医科大学博士研究生吴童为文章第一作者，周全教授，黄思铭教授，陈国胜副教授为共同通讯作者。
通讯作者信息：
黄思铭 教授
黄思铭，现任广州医科大学南山学者教授。主要研究方向主要涉及新型功能性生物分子杂交框架材料的设计，可视化即时生命分析平台的构建与应用，以及药物研发及递送用于血栓、肿瘤等疾病的治疗与实时监测等。目前已在Nat. Commun.、Chem、Angew. Chem. Int. Ed.、PNAS、Adv. Funct. Mater.、Biosens. Bioelectron.、ACS Appl. Mater. Interfaces等国际著名期刊上发表论文40篇，主持多项国家级和省级科技项目。诚邀具有化学、药学、材料或医学背景的优秀博士加入课题组。
陈国胜 副教授
陈国胜，现任中山大学化学学院副教授，主要从事蛋白质框架材料的设计及面向生命健康应用的研究。在Chem、Nat. Commun.、Angew. Chem. Int. Ed.、Chem. Sci.、Adv. Funct. Mater.等期刊上发表SCI论文50余篇，主持国家自然科学基金面上项目、青年项目和博士后创新人才计划等国家级和省级科技项目。诚邀具有化学、生物、材料背景的优秀博士加入课题组。
周全 教授
周全，现任南方医科大学第三附属医院医学影像科科主任，《Artificial Intelligence in Medical Imaging》副主编。1990年安徽医科大学本科毕业，1997年获暨南大学得硕士学位，2003年获得德国洪堡大学博士学位，2005年至2007年在华南师范大学从事博士后研究。2009年升任暨南大学教授，2017年至今在南方医科大学第三附属医院工作。研究方向：人工智能、放射组学、分子成像、功能磁共振成像、光声成像、医用生物材料等。
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ACS Materials Lett. 2022, 4, 751–757
Publication Date: March 24, 2022
https://doi.org/10.1021/acsmaterialslett.2c00075
Copyright © 2022 American Chemical Society