ACS Mater. Lett. | 一种可实现由催化剂或底物介导胞内定位的厚壳大分子催化剂骨架

在生物体中，酶在生命活动中起着重要的作用。大部分的酶能够特异性地选择底物并将其转至疏水空腔中的催化活性中心位置，从而更加快速高效地完成催化反应，使生命活动能够正常进行。近年来，通过模仿生物酶的结构，用合成大分子骨架或蛋白质骨架保护金属催化中心，形成具有金属催化中心的大分子仿酶结构或人工金属酶，已成为高分子化学、化学生物学、有机金属方法学和酶学交叉领域的一个新热点。近日，湖南大学白玉罡教授课题组结合其前期工作基础，合成了一个拥有致密壳的大分子骨架，该金属催化纳米颗粒能够实现细胞环境中的催化以及空间定位的催化。

图1. “厚壳纳米粒子”（DSNP）骨架的合成示意图

这种具有致密壳结构的DSNP大分子骨架由三唑配体（TBTA衍生物）很方便地通过聚合-交联过程合成。首先，利用开环易位聚合（ROMP）合成末端仍带有活性中心的链状聚合物，再加入作为交联剂的配体衍生物（TBTA衍生物），发生进一步的ROMP交联，形成星型聚合物DSNP。采用该方法合成的DSNP呈直径约100nm球形结构，具有分散系数小，结构均一的特点。这种DSNP具有由线型大分子臂组成的致密壳结构和一个疏水、含有配体结构的核心。致密的壳提供了一个物理屏障，核内的高密度配体提供了一个高局部浓度的配位环境，保护核中配体，提高金属活性中心的动力学稳定性。

图2. DSNP的凝胶渗透色谱（GPC）及透射电子显微镜（TEM）分析结果

作为一个大分子催化剂骨架，可以在DSNP中引入不同的金属离子实现不同的催化反应。例如，Cu^I-DSNP能够在ppm级别浓度下在水中高效催化各种不同的末端炔和叠氮的点击反应（CuAAC），具有极高的催化速度和转化数，并显现出酶催化的很多特征。若将金属催化中心从Cu置换成Pd，用来催化炔丙基氨基甲酸酯的脱保护也同样具有良好的催化效果。实验结果表明，DSNP可以稳定其中的金属离子，使它们不易发生催化以外的反应，从而提高催化剂的转化数，并降低金属离子的流失。

图3.CuAAC催化反应荧光动力学实验结果示意图

图4. Pd-DSNP介导的罗丹明110衍生物脱保护反应示意图

将DSNP用于细胞催化时，在短时间的底物孵育条件下，反应产物主要集中于细胞膜上。该定位催化现象与金属中心无关，在Cu和Pd两种金属催化的反应中均有类似表现。若将反应时间延长，反应产物则逐渐渗透入细胞之中，并可根据产物的特性表现出靶向效果，例如使用带有-PPh³⁺的底物进行CuAAC反应，则其产物可靶向胞内线粒体。对于这种现象产生的机理，作者根据前人的报道与研究结果，推测可能是由于DSNP具有致密的阳离子臂且尺寸较大，在与细胞膜脂质双分子层相互作用时会暂时地“陷入”细胞膜，造成催化剂自身的定位，从而引发产物的定位。DSNP催化的反应会首先在细胞膜上发生，随着时间的流逝，产物会从细胞膜逐渐向胞质扩散，并由产物的特点而决定最终的归属地。该过程本质上是一种催化反应的“时-空”控制，也是首例不需要预先锚定底物就可以实现细胞膜靶向催化的报道。

图5.DSNP细胞表面催化结果示意图，共聚焦荧光显微镜三维图像可清晰说明催化反应定位在细胞膜上

总体而言，本文报道的新型DSNP支架有望用于具有不同活性中心的大分子催化剂的开发。在Cu和Pd为催化中心的例子中，DSNP骨架显示出高效的催化能力。由于该配体介导的交联策略合成简便、产物结构多样，该策略有望扩展到其他金属活性中心的应用上，潜力较大。DSNP支架可以特异性结合细胞膜并定位在膜上催化反应，产物会随时间扩散到细胞质中。这种“时-空”控制的工作模式受扩散速度和时间的影响，允许催化剂或底物控制的产物的合成。课题组未来将致力于扩展DSNP催化剂库以实现更加高效的催化反应，并探索它们的催化机理以及结构性质的关系。

图6. DSNP定位催化的总结示意图

本文的第一作者是湖南大学化学生物学与纳米医学研究所2017级硕士卢庆和2018级博士白思蕾。

ACS Materials Lett. ASAP

Publication Date: December 6, 2019

https://doi.org/10.1021/acsmaterialslett.9b00400

Copyright © 2019 American Chemical Society

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