《Colloids and Surfaces B: Biointerfaces》：Platinum Nanozyme Logic Gates for Probing Biomolecular Recognition and Interaction Dynamics
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本研究以铂/石墨烯氧化物（Pt/GO）纳米酶为模型平台，利用BSA、H+、Cys和NEM构建了NAND和逻辑蕴含（IMPLICATION）等逻辑门系统，并实现了多输入协同调控。该体系通过阈值浓度定义输入状态，模拟了早期催化环境中的分子信号处理与生化网络调控机制，为人工合成生物系统提供了新工具。
林风林|肖银凤|杨宇|郑琼华|戴云|刘巧玲|陈金城|陈伟|何少斌
福建医科大学第二附属医院药学部临床药学实验室，中国泉州362000
摘要
最近的研究表明，类似于纳米酶的原始催化系统可能在早期分子进化过程中发挥了作用，促进了生化复杂性的出现。为了连接非生物催化与生物信息处理之间的概念联系，本研究采用了基于氧化石墨烯（Pt/GO纳米酶）的铂纳米酶作为模型平台。氧化石墨烯（GO）具有丰富的缺陷表面、含氧官能团以及电子离域的碳晶格，这些特性使其具有类似矿物表面和原始催化支架的物理化学特征。这些特点使得Pt/GO纳米酶能够模拟早期的催化微环境，同时保持可调节的酶样活性和用于分子识别的表面功能。在本研究中，我们通过构建逻辑门系统来研究蛋白质、氨基酸与Pt/GO纳米酶之间的相互作用。具体来说，使用牛血清白蛋白（BSA）、质子（H?）、半胱氨酸（Cys）和N-乙基马来酰亚胺（NEM）作为输入，设计了NAND（非与）和IMPLICATION（逻辑蕴含）逻辑门。此外，还通过定义输入浓度是否超过预设阈值来开发多输入逻辑门。我们展示了通过Pt/GO纳米酶逻辑门对特定分子信号进行调控，从而模拟了早期的催化行为和原始信息处理过程。这种受前生物环境催化特性启发的逻辑门框架，并结合了GO的界面和电子特性，有望成为探究分子识别、路径计算以及前生物生化网络建模的合成工具。
引言
作为人工酶模拟物的纳米酶因其高催化效率、优异的稳定性、低成本和易于制备而受到越来越多的关注[1],[2]。在过去十年中，纳米酶逐渐被应用于替代或增强天然酶（如过氧化物酶、氧化酶、葡萄糖氧化酶和尿酸酶）在各种生物和化学过程中的作用[3],[4],[5]。其中，基于铂的纳米酶表现出更优的催化性能，并将纳米酶的应用范围扩展到了农业生产率、污染物检测、纳米酶活性调控和生物分子检测等领域[6],[7],[8],[9]。特别是，它们在生物医学应用中的整合为精准医疗开辟了新的途径[10],[11],[12]。除了模拟酶的功能外，纳米酶独特的物理化学性质（如可调的表面电荷、高表面积和内在的氧化还原活性）使它们能够主动调节复杂的生化系统。最近的研究表明，纳米酶甚至可以催化生物相关单体（如氨基酸和丙酮酸）的合成和聚合，模拟了早期的生化过程[13],[14]。这些发现支持了一种新兴的假设，即类似纳米酶的原始催化系统可能参与了生物分子的前生物形成，为生命的起源奠定了基础。
在这种背景下，基于纳米酶的逻辑门作为一种强大的信号处理平台而受到关注，使得可以设计出模仿数字逻辑的生化计算系统。利用纳米酶作为催化核心，构建了多种布尔逻辑门（AND、OR、NAND、NOR、IMPLICATION等），其中二进制输出（“1”或“0”）对应于信号的存在或缺失，通常通过比色或电化学反应来测量[15],[16],[17]。这种分子计算方法已在生物传感、重金属离子检测[18]、疾病诊断[19],[20]和智能药物递送[21],[22],[23]等领域得到应用，并且人们对使用逻辑门来模拟分子相互作用和生物调控表现出越来越大的兴趣[24],[25],[26],[27]。在相关生物分子中，半胱氨酸（Cys）是一种含有巯基的氧化还原活性氨基酸，通过二硫键在维持蛋白质三级结构中起着关键作用[28]。同样，pH值是调节活性、细胞信号传导和生化反应的关键因素[29]。这些小分子与牛血清白蛋白（BSA）等蛋白质大分子一起，为在逻辑门框架下研究纳米酶与分子的相互作用提供了理想的候选对象。
受到纳米酶模拟原始催化和信息处理能力的启发，我们使用基于氧化石墨烯（Pt/GO纳米酶）的铂纳米酶作为催化核心，构建了一系列布尔逻辑门。具体而言，我们使用BSA和H?设计了NAND门，并基于Cys和N-乙基马来酰亚胺（NEM）设计了IMPLICATION门。我们还开发了多输入逻辑系统，整合了所有四种成分。这些逻辑门电路根据每个输入的浓度阈值表现出不同的输出信号，模拟了类似原始生化网络的决策过程和催化调控。这项研究不仅为研究纳米酶与生物分子的相互作用提供了模型，还为模拟生命起源背后的化学逻辑提供了新的见解。
部分内容摘录
Pt/GO纳米酶的合成
Pt/GO纳米酶的详细合成步骤已在我们的先前发表的文章中提供（见支持信息部分）。
BSA与Pt纳米酶的相互作用
为了研究BSA与基于铂的纳米酶之间的相互作用，将100μL的Pt/GO纳米酶悬浮液与900μL的BSA溶液在不同的浓度和pH值下混合。混合物在30°C的水浴中孵育15分钟，然后以6300rpm的速度离心3分钟。随后取上清液200μL。
结果与讨论
根据透射电子显微镜（TEM）的结果，我们可以确定Pt纳米颗粒在GO表面的成功生长，并使用高斯拟合和累积频率分布拟合方法分析了Pt/GO纳米酶的粒径分布（见图S1）。Pt/GO纳米酶的平均直径计算为2.3nm，这与我们之前发表的文章结果一致。
结论
总之，我们基于生物分子对Pt/GO纳米酶的相互作用建立了多种逻辑门，包括基于BSA和H?的NAND逻辑门、基于Cys和NEM的IMPLICATION逻辑门以及基于上述四种元素的多输入OR逻辑门。我们的研究结果表明，基于纳米酶的逻辑门能够调节生化信号，并有效模拟催化系统和分子行为，这可能类似于生化网络。
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财务利益或个人关系。
作者贡献声明
陈伟：撰写——审稿与编辑、监督、概念构思。何少斌：撰写——审稿与编辑、监督、项目管理、概念构思。杨宇：可视化、形式分析。肖银凤：撰写——初稿撰写、验证、实验研究。林风林：撰写——初稿撰写、方法设计、实验研究、数据管理。陈金城：形式分析、数据管理。刘巧玲：验证。戴云：资源获取、实验研究。郑琼华：实验研究、数据整理。
致谢
作者衷心感谢以下机构的财政支持：国家自然科学基金（项目编号22504016）、福建省科技创新联合基金（项目编号2023Y9226和2025Y9520）、泉州市引进高层次人才团队项目（项目编号2023CT008）以及泉州市科技计划（项目编号2024NY069）。
