基于血红蛋白的钆单原子催化剂中的构象门控双酶活性：用于适应性生物传感

《Talanta》：Conformation-Gated Dual Enzyme Activity in a Hemoglobin-Based Gadolinium Single-Atom Catalyst for Adaptive Biosensing

血红蛋白基钆单原子催化剂通过构象调控实现pH双模式催化，分别表现出过氧化物酶样活性与漆酶样活性，并可通过小分子调节剂优化功能，为神经退行性疾病多参数联合检测提供新范式。

　　

邢一凡|吴乐贤|徐一婷|黄浩文

湖南科技大学化学与化学工程学院，教育部理论有机化学与功能分子重点实验室，湖南省精细聚合物可控制备与功能应用重点实验室，中国湘潭市，411201

摘要

单原子催化剂（SACs）以其卓越的催化效率而闻名，但它们受到结构刚性的限制，这限制了它们在生物环境中的适应性。在这里，我们介绍了一种基于血红蛋白的钆单原子催化剂（Hb-Gd SAC），其中钆原子通过仿生配位方式特异性地锚定在天然血红素-铁中心附近。利用蛋白质支架的固有灵活性，该系统在两种不同的酶促模式下表现出pH和构象调控的切换：在酸性条件下表现出类似过氧化物酶（POD-like）的活性，在中性pH下表现出类似漆酶的活性。这两种催化模式在机制上是解耦的——全局蛋白质构象控制POD活性，而局部的钆配位驱动类似漆酶的活性。酒石酸的别构调控进一步精细调节了这种行为，显著提升了其性能，超越了天然辣根过氧化物酶的性能。这种双模式催化支持可编程的生物传感：POD模式能够检测硫醇和乙酰胆碱酯酶活性，而漆酶模式则可以选择性地靶向多巴胺。这种多模式检测对于神经退行性疾病的诊断特别重要，例如帕金森病，其中同时监测氧化应激、胆碱能功能障碍和多巴胺能信号传导是必不可少的。我们的发现引入了一个可重构的SAC平台，将原子精度与生物分子动力学相结合，推动了智能催化和自适应生物传感技术的前沿。

引言

单原子催化剂（SACs）作为一种前沿材料，提供了最大的原子效率和独特的催化特性，这些特性来源于孤立的活性位点[1]、[2]、[3]、[4]。然而，它们在仿生催化中的应用仍然受到传统支撑材料刚性的根本限制。大多数SACs被固定在惰性的无机框架上——如碳基矩阵或金属氧化物[5]、[6]、[7]、[8]——导致缺乏环境响应性的静态结构。这种结构刚性与社会性酶[9]、[10]的动态构象行为形成了鲜明对比，后者利用其结构塑性来响应pH值、温度或小分子等局部刺激来调节活性。单原子催化剂的自适应催化行为指的是它们根据环境条件（如pH值或底物浓度）或通过内在结构调整来优化催化性能的能力。这种能力对于它们在复杂生物系统中的应用至关重要[11]。因此，传统的SACs难以模仿定义生物催化的智能、自适应功能[12]、[13]、[14]、[15]、[16]，从而限制了它们在先进生物传感或诊断应用中的潜力。

为了弥合静态SACs与动态酶系统之间的差距，将生物大分子作为功能支架是必不可少的。特别是血红蛋白（Hb），由于其明确的三级/四级结构、灵活的骨架和金属配位能力，它提供了一个有吸引力的模板。其铁-卟啉（血红素）中心不仅提供了一个内在的催化位点，还提供了可以容纳额外金属离子的轴向配位位点[17]、[18]、[19]。这些特性使Hb成为构建协同双金属催化中心的有希望的候选者[20]、[21]、[22]。尽管如此，在这样的蛋白质支架内实现原子级分散的金属配位、阐明双金属协同机制以及实现对多种酶样活性的环境响应控制仍面临重大挑战。

传统纳米酶的另一个关键限制是它们的单一催化功能——通常只模仿一种天然酶（例如过氧化物酶或氧化酶）[23]、[24]、[25]、[26]。这种狭窄的功能范围不足以应对真实生物系统中遇到的复杂生化环境，这些环境往往需要协调或可切换的多酶活性[27]、[28]、[29]、[30]。因此，迫切需要开发能够根据生理信号动态切换不同催化模式的智能仿生纳米酶。

在这项研究中，我们介绍了一种基于血红蛋白支持的钆单原子（Hb-Gd SAC）的构象调控平台，该平台表现出两种不同且可切换的催化功能：在酸性条件下表现出类似过氧化物酶（POD-like）的活性，在中性pH下表现出类似漆酶的活性。这两种活性在空间和机制上是解耦的——POD活性由蛋白质支架的全局构象控制，而漆酶活性则来源于局部的钆配位。此外，这种双模式行为可以通过小分子效应剂（如酒石酸）进行精细调节，酒石酸作为别构调节剂发挥作用。

利用这种自适应催化框架，我们建立了一个可编程的生物传感平台，能够选择性地检测多种生物相关目标——包括谷胱甘肽、乙酰胆碱酯酶活性和多巴胺。这种多模式检测特别适用于神经退行性疾病的诊断，例如帕金森病，其中同时监测氧化应激、胆碱能功能障碍和多巴胺能信号传导是必不可少的[31]、[32]、[33]。

总体而言，我们的工作建立了一种新的构象调控生物分子SACs范式，将原子精度与基于蛋白质的灵活性相结合。这一策略为动态、逻辑控制的催化提供了强大的途径，对下一代生物传感、诊断和自适应纳米酶系统具有广泛的意义。

部分摘录

血红蛋白-钆单原子催化剂的仿生构建和结构阐明

为了解决刚性催化支撑材料的局限性并模仿天然酶的自适应行为，我们采用了仿生金属配位策略来构建Hb-Gd SACs。通过利用Hb的固有灵活性及其血红素活性中心的配位能力，我们实现了高度分散的钆原子在血红素-铁位点附近的特异性锚定。

我们采用了一系列光谱技术来表征Gd³⁺的结合状态

结论

我们报告了一种构象调控的单原子催化剂（Hb-Gd SAC），它将原子级精度与基于蛋白质的灵活性相结合，实现了可切换的双酶样活性。钆在天然血红素-铁中心附近的特异性锚定允许在过氧化物酶和类似漆酶的功能之间进行pH依赖的调节，这种调节由不同的结构域控制，并可通过小分子效应剂进一步调节。值得注意的是，其POD-like活性超过了天然辣根过氧化物酶的性能，

CRediT作者贡献声明

黄浩文：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，监督。徐一婷：监督，研究。吴乐贤：研究。邢一凡：撰写 – 原稿，研究

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

我们衷心感谢以下资助项目为这项研究提供的财务支持：中国湖南省自然科学基金（项目编号2025JJ70086）和湖南省教育厅科学研究基金（项目编号22A0345）。这些资金来源为这项研究的成功完成提供了必要的资源。