天然酶是生物进化的杰出作品,绝大部分天然酶都由蛋白质为框架主体,并包含催化中心和催化口袋。部分特殊的天然酶具有催化辅基。天然酶能有效的催化反应的进行并诱导生物体内绝大部分的生化反应。然而,由于价格高昂、制备提纯繁琐、容易失活、回收重复利用性差等缺点,使得天然酶在实际应用中很受限制。作为一种越来越受人们关注的功能性纳米材料,纳米酶可以模拟天然酶的生物催化效应,又可以克服天然酶的在实际应用方面的缺点。因此,纳米酶被广泛的应用于如污染物处理、战剂分解、物质检测、催化生产、新型能源、生物医学等方面。可以说纳米酶的发现与制备,极大程度的满足人们生产生活中对催化材料的需求,并为抑菌抗感染、抗癌、疾病的早期诊断和新型药物开发等当今人们面临的医学健康难题提出了相对可行的解决策略。因此,纳米酶具有极大的发展前景,受到人们的普遍关注。近年来,有关纳米酶的报道层出不穷,合成制备纳米酶的方式也是五花八门。总结目前人们制备纳米酶的方法主要分为三大类。1.利用具有天然酶活力的纳米材料制备纳米酶。其中典型的如金属纳米材料、碳材料、金属化合物纳米材料、以及复合纳米材料,它们通过材料本身的表面及界面效应、电子传递能力、氧化还原性质等实现催化。2.模拟天然酶催化中心制备纳米酶材料。效仿天然酶的催化机制,人们通过模拟催化中心或将催化中心负载到合适的载体上制备纳米酶。常见的载体如碳材料、纳米化合物、生物大分子等等。载体的功能基团、电子传递能力、所提供的微环境都会对催化中心的催化能力产生影响。3.人工制备稳定的天然酶。利用包覆、原位矿化、原位聚合等方法,人们可以在不稳定的天然酶表面合成“保护壳”,有效的减少天然酶蛋白质框架的消解、变性以及催化口袋的破坏,从而得到更强韧的纳米酶。纳米酶制备方法的开发不仅能加深我们对天然酶的理解,更推动了纳米酶的发展和利用。超分子组装指在非共价键超分子作用力的驱动下形成的多分子聚集体。超分子作用力十分广泛,包含亲疏水、静电、主客体、金属离子配位、氢键、范德华力、π-π堆积相互作用力等。超分子组装也普遍存在,如生物体中骨骼、肌肉纤维、细胞膜、细胞器、微管等等。人们在超分子组装领域主要探索将特定组分按照一定的排列方式组装成有序的超分子结构。所形成的超分子组装体可以表现出较单个分子更卓越的性质。不仅如此,由于超分子组装还具有单体富集、易修饰、易制备、可回收、可自愈、可逆以及刺激响应等特点,所制备的超分子组装体可具有多维度的精细结构、可控的表面微环境、环境响应性等等。人们已经报道了具有各式形貌和功能的超分子组装体。因此,超分子组装不仅具有制备传统纳米酶材料的潜力,还能为将来制备更高活力和智能型的纳米酶提供策略。本文主要研究致力于利用不同的超分子驱动力构建结构精密的框架,通过原位矿化和共组装的方法引入催化中心,探索一种利用超分子组装策略构建纳米酶的普适性方法。具体来讲,我们选用蛋白质生物大分子和有机小分子为组装基元,利用多肽coiled-coil相互作用,金属离子配合以及亲疏水组装策略成功构建了一维、二维和三维结构精密的纳米酶材料。1.基于coiled-coil超分子作用构建一维银纳米颗粒-蛋白质组装体纳米酶超分子组装形成的精密纳米结构和聚集效应使得单体的活动受限并具有较高的局部浓度。这些特点会使由超分子组装策略构建的纳米酶具有优秀的稳定性和较高的活力。在本章中,我们尝试以coiled-coil组装策略构建一种一维的纳米酶。首先,我们通过从头设计coiled-coil多肽的氨基酸序列和长度保证coiled-coil多肽的组装形式和结合强度。将coiled-coil融合到Smac/DIABOL的C末端后,Smac蛋白可在coiled-coil的驱动下形成稳定的一维的纳米结构。同时,作为一种表面羧基异常丰富的蛋白质,Smac可以有效的吸附贵金属Ag离子。利用生物矿化的方法,我们最终成功制备得到了一维银纳米颗粒-蛋白质组装体纳米酶复合物。我们通过电子显微镜技术观测到了一维的蛋白质纳米线和最终的一维银纳米颗粒-蛋白质组装体纳米酶。研究还表明,一维纳米酶比传统方法制备的Ag纳米酶具有更高的催化活性和更好的稳定性。这有赖于组装策略所带来的致密结构和较高的局部纳米粒子浓度,同时,蛋白质表面还提供了有利于催化的微环境以及更好的溶解性,进一步提升了一维纳米酶的性质。这一工作为制备具有高活性、良好水溶性的金属及金属化合物纳米酶提供有效的策略。2.基于金属离子螯合超分子作用构建二维SOD纳米酶随着对纳米酶的开发与研究,人们发现许多纳米酶之所以能展现其活力与相应金属离子息息相关。同时,作为一种特异、强力、可逆的超分子作用力,金属离子配合作用可以通过精确设计实现从小分子配合纳米笼到蛋白质为基元的多维规整纳米结构的构筑。展现了金属离子配合作用在制备规整组装结构上魅力。因此,继上一部分设计利用coiled-coil超分子作用力构建了一维的纳米酶之后,本章中我们利用精细可控的金属配合超分子作用力构建更为致密的二维纳米酶材料。首先利用蛋白质定点突变的方式,我们在Smac二聚体蛋白上设计四个Zn离子配合位点,它们呈四边形分布。Smac蛋白可以在Zn离子配合驱动下沿两个方向延伸形成二维材料。通过掺入具有氧化还原能力的Cu离子进行组装,我们成功得到了具有超氧化物歧化酶活力的二维纳米酶材料。电镜测试证实了我们对于二维材料的设计并观察到了致密二维材料的形成。在掺入铜离子组装后,我们观察到结构类似的二维纳米酶材料,此材料表现出抑制氧自由基产生的超氧化物歧化酶的活性。这说明我们成功利用金属配合超分子作用力构建了二维纳米酶材料。值得我们注意的是,蛋白质的二级结构在85摄氏度仍不会改变,而此时蛋白基元的信号几乎消失,说明此材料具有很强的热稳定性。此外,二维纳米材料还表现出一定的变性剂稳定性。纳米材料十分优秀的稳定性是由于蛋白基元的致密规整排列所致。本章工作向我们展示利用超分子组装构建二维纳米酶的可行性,并为制备以金属离子为催化中心的稳定纳米酶提供值得借鉴的思路。3.基于超两亲超分子共组装策略构建三维HRP纳米酶环糊精是一系列水溶的环状低聚糖的总称,早期应用于无毒添加剂或共价修饰的小分子催化剂。虽然溶于水,环糊精却具有疏水空腔,它可通过疏水作用和尺寸选择与客体分子特异性地结合,是被人们较早发现的一种主体分子。伴随着基于环糊精的主客体组装和超两亲分子的发展,具有多尺度(如线、囊泡、纳米管、片层等)形貌以及响应型的材料被相继报道。展示了环糊精超双亲分子在材料制备上的潜力。在我们成功构建了一维、二维纳米酶的基础上,我们制备一种维度更高、酶学性质更优秀以及稳定性更好的纳米酶。本章中,通过共价修饰的方法,我们将天然HRP催化中心相关的血红素(Hemin)和组氨酸(Histidine)分子分别修饰到环糊精上。与客体疏水分子复合后,两种超两亲分子可在水溶液中共组装形成稳定的三维管状HRP纳米酶。这种利用超两亲分子组装策略构建纳米酶的方法不但简单,还使纳米酶具有与天然HRP一样的反应微环境,表现出优秀的HRP催化活性。与天然HRP相比,超两亲纳米酶具有更快的反应速率、更好的热稳定和p H稳定、更高的过氧化氢容忍度以及优秀储存能力等优点。基于超双亲纳米酶的稳定性,我们将其应用到葡萄糖检测和检测试纸的制备。本章工作展现利用亲疏水超分子组装策略构建稳定纳米酶的适用方法,并为模拟构建天然酶催化中心微环境从而有效提高纳米酶催化效率提供思路。