纳米酶是一类蕴含酶学特性的纳米材料，能够在生理或极端条件下催化酶的底物，具有类似于天然酶的酶促反应动力学，并且可以作为酶的替代品服务人类健康。纳米酶是多学科交叉融合的典范，在从事化学、酶学、材料、生物、医学、理论计算等多领域科学家共同推进下，如今已经成为新兴的前沿方向。纳米酶的发现揭示了纳米材料的生物学活性，然而纳米酶领域一直存在一个关键问题，即生物体内是否存在天然纳米酶？
事实上，在生命体内存在大量的无机材料，即生物矿物。然而不同于纳米酶，生物矿物大多发挥支撑、保护或者光、磁感应等功能。为了系统探究天然纳米酶的存在，研究人员选取了在不同物种中广泛存在的铁蛋白作为研究对象。作为一种天然储铁蛋白，铁蛋白能够将细胞中多余的铁以无机铁核的形式储存在其内腔，是一种天然的无机纳米材料。通过系统比较18种来自真核生物、细菌和古菌的铁蛋白，研究人员不仅发现了天然铁蛋白内核具有类超氧歧化酶活性，并且发现相较于真核铁蛋白，原核铁蛋白的SOD酶活更高。机制解析发现：原核生物铁蛋白内核具有更高的磷酸盐含量并形成类磷酸铁配位，从而降低其对氢质子的亲和力，促进其SOD酶活性的发挥。通过在大肠杆菌中过表达或敲除原核铁蛋白，进一步证明了该天然纳米酶能够在生理条件下发挥抗氧化功能（图1）。该研究首次系统阐明了天然抗氧化纳米酶的催化机制和生理功能，为纳米酶的研究提供了全新的视角，相关研究成果于2024年1月3日在线发表于《Nature Communications》期刊。
图1. 天然铁蛋白纳米酶的类超氧歧化酶催化机制及生理功能示意图。
在本研究中，为了探究天然铁蛋白的类酶活性，研究人员利用铁蛋白的储铁特性，通过生物合成的方法原位合成了天然铁蛋白内核。这种合成方法为研究天然纳米酶及其生理功能奠定了基础。随后，通过对比涵盖真核、细菌和古菌来源的三大类铁蛋白的类酶活性，研究人员发现原核铁蛋白具有较真核铁蛋白更高的类SOD活性。通过内核去除和蛋白壳消解证明了其SOD酶活性来源于铁蛋白内核，而非铁蛋白外壳。不仅如此，通过和铁离子进行直接对比，研究人员发现铁蛋白纳米酶催化超氧阴离子的过程并不依赖于铁离子，且不会同铁离子介导的Harber-Weiss反应一样产生羟基自由基，是一种独特的纳米效应。
随后为了研究不同物种间铁蛋白SOD酶活性差异的催化机制，研究人员通过组成成分分析证明了SOD酶活性差异来源于内核磷铁比例的不同，原核生物铁蛋白纳米酶具有更高的磷铁比例，而这一差异的产生是由于原核生物铁蛋白三重轴的电负性较弱从而有利于磷酸盐的内化。进一步结构分析表明原核生物铁蛋白内的磷酸盐能够和铁原子形成类磷酸铁的配位环境，使得铁蛋白的纳米酶内核由单晶向非晶转化同时降低其对氢质子的亲和力，促进其类SOD酶活性的发挥。最后，研究人员通过在大肠杆菌中过表达具有高SOD酶活性的铁蛋白纳米酶，发现其能够增强大肠杆菌对于超氧阴离子的耐受能力，而敲除大肠杆菌铁蛋白或将其替换为人重链铁蛋白则会增加其对超氧阴离子的敏感性，证明了铁蛋白纳米酶能够在生理条件发挥抗氧化功能。
这项研究发现了天然铁蛋白纳米酶的存在，揭示了其抗氧化活性的催化机理，并进一步在单细胞生物上验证了天然纳米酶的抗氧化生理功能。这项研究为天然纳米酶的开发和应用提供了新方法，为纳米酶的生理学功能研究提供了新思路，也为纳米酶的生物学意义提供了新的研究方向。
中国科学院生物物理研究所阎锡蕴院士和范克龙研究员为论文通讯作者，中国科学院生物物理研究所博士后马龙为论文第一作者。国家纳米中心高兴发研究员和征甲甲副研究员为理论计算分析提供了支持和帮助，陈春英院士为纳米酶的同步辐射表征提供了重要指导；国际遗传工程和生物技术中心-中国区域研究中心杨义力教授也对该研究给予了指导和帮助。该研究得到国家自然科学基金、国家重点研发计划、中国科学院稳定支持基础研究领域青年团队等项目的资助。
文章链接：https://doi.org/10.1038/s41467-023-44463-w
发布时间：2024年01月09日（供稿：范克龙研究组）
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