【材料】JACS：自组装的Pd12配位笼作为光调节的类氧化酶活性纳米酶
近年来，模拟天然酶催化活性的纳米材料（纳米酶）引起了特别的关注。相比于天然酶，纳米酶具有高稳定性、可大规模制备等独特的优势，可用于生物传感、免疫测定、组织工程和治疗应用等众多领域。为了避免在这些酶反应系统中使用H2O2，精准设计类氧化酶活性的纳米酶显得至关重要，这在生物医学应用中具有重要意义。分子自组装是将简单分子单元组装在一起以形成生命必不可少的生物功能单元的最先进技术之一。受自然界的启发，化学家们付出了巨大的努力来开发具有预设计的尺寸、形状和功能的自组装体系结构。其中，协调驱动的自组装已成为开发2D和3D协调体系结构套件的有效工具。由于该方法具有键的可逆性质、一锅合成、高收率和固有的自校正作用等优势，从而可以形成热力学稳定的产物。通过有机连接物的多功能性和配位载体的方向、超分子组装体的几何形状，精准设计水性介质中的自组装复合体用于模拟天然酶活性具有重要意义。
近期，印度科学研究所Mrinmoy De助理教授和Partha Sarathi Mukherjee教授课题组报道了通过四齿供体（L）与对位受体cis-[(en)Pd (NO3)2]（en=乙二胺）自组装合成一种新的水溶性Pd12L6超分子配位纳米笼。该纳米笼通过与不规则的共同六边形底部相连的两个三角形组成一种不寻常的几何形状，并在结构中引入有助于水中活性氧（ROS）产生的光敏单元苯并噻二唑。该水溶性Pd12纳米笼在白光照射下表现出优异的氧化酶样活性，并且酶活性受到光调节，这为酶活性的外部控制和无创性提供了可能。在耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）细菌菌株的光催化抗菌活性研究中，作者进一步利用了氧化酶样活性以及生的成外源性ROS用于抗菌。该纳米酶是一种水溶性、离散配位结构的光调节类氧化酶活性的独特例子。相关成果以“Self-Assembled Pd12 Coordination Cage as Photoregulated Oxidase-Like Nanozyme”为题发表在国际化学权威杂志J. Am. Chem. Soc.上（DOI: 10.1021/jacs.0c09567）。
图一、自组装的Pd12-配位纳米笼作为光调节的类氧化酶活性纳米酶的示意图
（来源：J. Am. Chem. Soc.）
首先，作者合成和表征了相关配体单元和产物。通过铜催化的Ullmann缩合反应，使用4,7-二溴苯并[c]-1,2,5-噻二唑和4,4'-二吡啶基胺合成四吡啶基配体L。L与对位受体cis-[(en)Pd-(NO3)2]（en=乙二胺）自组装合成一种新的水溶性Pd12L6超分子配位纳米笼。通过NMR 和 ESI-MS证实了配体单元的成功合成，并且证明形成了单个M12L6组装体。为了进一步证明Pd12-配位纳米笼的形成，作者通过X射线单晶结构分析清楚地确定了Johnson多面体（J27）之一的变形三角形Bicupola管状结构的形成。
图二、相关配体单元和产物的1H NMR图。
（来源：J. Am. Chem. Soc.）
图三、Pd12-配位纳米笼的的X射线单晶结构分析图。
（来源：J. Am. Chem. Soc.）
接着，作者研究了Pd12-配位纳米笼的类氧化物酶活性。以3,3',5,5'-四甲基联苯胺（TMB）为底物，在TMB氧化的模型催化反应中，反应液显示出从无色到蓝色的明显颜色变化。图四表明，在配位纳米笼存在和白光照射下，TMB呈现蓝色；而只有TMB则无颜色变化。与四吡啶基配体L和对位受体cis-[(en)Pd-(NO3)2]相比，Pd12-配位纳米笼显示出良好的类氧化物酶催化性能。为了进一步研究Pd12-配位纳米笼的类氧化物酶活性，作者测试了酶动力学参数，该纳米酶的米氏常数（Km）和最大反应速率（Vmax）分别为0.24 mM 和0.07084 μM s−1。这些结果都证实了Pd12-配位纳米笼具有良好的类氧化物酶活性。
图四、Pd12-配位纳米笼的类氧化物酶活性研究（左）和酶动力学研究（右）
（来源：J. Am. Chem. Soc.）
最后，作者研究了Pd12-配位纳米笼的抗菌性能。在光照射和Pd12-配位纳米笼同时存在时，溶解氧可以作为形成活性氧（ROS）的中间体。预期外源性ROS会产生氧化应激，这可能使细菌膜完整性受损，从而显示出增强的抗菌功效。为了证实抗菌性能，作者进行了体外实验，通过使用板计数法以评估Pd12-配位纳米笼对耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）的抗菌性能。为了优化Pd12-配位纳米笼对MRSA的抗菌效果，作者通过在有光的情况下将Pd12-配位纳米笼的浓度从0.08 μM更改为5.28 μM，进行了剂量依赖性研究。随着Pd12-配位纳米笼浓度的增加，在光照条件下细菌的存活率从100％降低到0％。而在仅有配体的存在下，以非常高的浓度观察到了抗菌活性，这是等效Pd12-配位纳米笼浓度的25倍。在光的存在下，Pd12-配位纳米笼显示出对MRSA的高抗菌活性。照射30分钟后，细菌的生长就受到了明显的抑制；1小时后，得到了完全的杀菌效果（100％）。在黑暗中没有观察到显着的抗菌作用，这意味着可以通过光照射控制纳米酶的外部作用。上述研究结果清楚地表明，有效的外源性ROS和Pd12-配位纳米笼的3D纳米结构是其具有较高抗菌活性的原因。
图五、Pd12-配位纳米笼抗菌活性研究
（来源：J. Am. Chem. Soc.）
小结：印度科学研究所Mrinmoy De助理教授和Partha Sarathi Mukherjee教授课题组报道了通过四齿供体（L）与对位受体cis-[(en)Pd-(NO3)2]自组装合成一种新的水溶性Pd12L6超分子配位纳米笼，并且其仅表现出类似氧化酶的活性，而没有表现出过氧化物酶的活性。骨架中苯并噻二唑单元的存在确保了水中的荧光和可见光激活ROS的生成。通过产生ROS而外源产生氧化应激已被用于针对耐甲氧西林金黄色葡萄球菌的有效抗菌活性。Pd12-配位纳米笼代表了一个独特的水溶性离散超分子体系结构实例，显示出有效的光诱导的类似氧化酶的纳米酶活性，这为探索纳米酶的各种应用提供新的机遇。