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南京大学刘震课题组报道了一种新型的基于反相微乳液的模板对接表面印迹策略 (RMTD-SI)，用于设计和制备具有开放结构的分子印迹纳米酶，使其具有对底物的自由捕获能力，用于ssDNA的催化连接。所制备的分子印迹纳米酶可以显著提高催化反应的速度，并展现出良好的底物选择性。此外，这种分子印迹纳米酶还可以进一步催化具有与印迹空腔完全匹配序列的ssDNA与其他ssDNA底物连接，形成更长序列的产物。
图1 (a) 基于反相微乳液的模板对接表面印迹(RMTD-SI)策略的原理和流程图。(b) RMTD-SI策略所制备的分子印迹纳米酶的催化机理示意图。
天然酶作为一种高特异性的生物催化剂，可在温和条件下通过酶促反应使反应速率提高几个数量级，从而高效、专一地催化生成产物。然而，天然酶存在体外稳定性差、大规模制备困难以及难以重复利用等缺点，这些问题促使了研究人员对人工酶的开发。纳米酶作为一种新型的人工酶，相对天然酶具有明显的优势，例如催化活性更高、可控性好、制备简便、使用方便等，有望成为天然酶的替代品，在过去十年中引起了广泛的关注。
分子印迹聚合物（MIP）由于其良好的特异性和高亲和力，可以作为一种新型纳米酶。早期的分子印迹纳米酶利用过渡态类似物（TSAs）作为模板生成活性位点，为纳米酶的制备提供了新的途径。在印迹空腔存在的情况下，反应物可以被诱导形成过渡态，降低反应物的活化能，从而提高反应速率。然而，使用过渡态类似物进行印迹依赖于对过渡态和过渡态类似物结构的准确掌握，且过渡态类似物的结构随反应底物的变化也会有很大的不同，这些为分子印迹纳米酶的制备带来了巨大的挑战，严重限制了分子印迹纳米酶的发展和应用。
为了克服上述问题，刘震课题组在前期的工作（Journal of Materials Chemistry B, 2022, DOI: 10.1039/D1TB02325J）中首次提出了一种新的催化策略——亲和聚集增强偶联（AGEC），利用印迹空腔特异性识别反应底物，并将不同底物的反应基团拉近，提高活性基团的碰撞机率来加快反应速度。同时，结合温度循环扩增（TCA）的策略，通过温度变化控制印迹空腔的氢键作用，避免产物抑制效应。利用目标产物作为印迹模板得到的分子印迹介孔材料，该团队已经验证了该策略的可行性。然而，由于介孔材料的孔道位于材料内部，不利于大分子的合成催化反应，需要设计新的纳米结构对于该催化策略进行拓展应用。
基于以上问题，刘震课题组开发了一种称为“基于反相微乳液的模板对接表面印迹（RMTD-SI）”的新策略，用于设计和制备具有开放结构的分子印迹纳米酶，使其具有对底物的自由捕获能力，用于ssDNA的催化连接。该课题组对这种新型分子印迹纳米酶的性质及其催化行为进行了深入的研究，并探究了其可能的机理。利用AGEC策略，证明了该分子印迹纳米颗粒可以作为一种纳米酶，催化ssDNA底物的连接，表现出良好的催化活性和底物选择性。此外，与之前报道的基于介孔材料的分子印迹纳米酶不同，该研究中报道的分子印迹纳米酶还可以进一步催化具有与印迹空腔完全匹配序列的ssDNA与其他ssDNA底物连接，形成更长序列的产物，但失去了对其他底物的选择性。通过机理分析，这可能是由于其开放结构带来的对底物的自由捕获能力。因此，该研究不仅为分子印迹纳米酶的设计和制备提供了新的策略，而且对分子印迹纳米酶的催化行为提供了新的见解。
论文信息
Molecularly Imprinted Nanozymes with Free Substrate Access for Catalyzing the Ligation of ssDNA Sequences
Zhanchen Guo , Qi Luo , Prof. Dr. Zhen Liu*
该文收录于《欧洲化学》“南京大学120周年校庆”特辑。
Chemistry – A European Journal
DOI: 10.1002/chem.202202052
Chemistry – A European Journal
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