《Journal of Colloid and Interface Science》：Chirality-driven interface engineering of CuO hierarchical architectures for augmented peroxidase-like activity and interfacial antibacterial application
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手性界面工程通过构建L/D-铜氧化物花状纳米结构增强过氧化氢酶样活性，其动力学参数和自由基生成效率显著优于无定形铜氧化物，且在水果保鲜中表现出高效抗菌性能。
潘星欣|陈熙泽|刘宇文|王敏|刘玉佳|张洪宇|冯亮
大连理工大学生物工程学院，中国辽宁省大连市116034
摘要
纳米酶界面的工程化对其催化效率的调控至关重要，然而通过手性调制来实现这一目标仍然是一个重大挑战。在这项工作中，我们采用一种简单的一步湿化学方法，利用对映体半胱氨酸配体构建了手性L/D-氧化铜（L/D-CuO）分级结构，从而实现了手性驱动的界面工程策略。所得到的分级结构具有类似花朵的形态，并且更重要的是，表现出强烈的手性光学活性，这明确证实了成功创建了一个定制的手性界面。稳态动力学分析表明，工程化的手性界面显著增强了过氧化物酶样（POD样）活性。L-CuO的米氏常数（Km = 1.003 mM）和最大反应速率（Vm = 0.0252 μM·s^-1）均低于非手性CuO（Km = 1.38 mM，Vm = 0.0185 μM·s^-1），表明在界面处具有更强的底物亲和力和催化效率。这种增强的界面催化作用有效地转化为强大的抗菌效果。L-CuO对大肠杆菌的抑制率达到了90.2%，对金黄色葡萄球菌的抑制率为93.1%，而非手性CuO对大肠杆菌的抑制率仅为59.3%，对金黄色葡萄球菌的抑制率为66.9%。在实际的水果保鲜应用中，这种手性分级结构有效地起到了界面抗菌涂层的作用，通过抑制表面微生物的破坏显著保持了水果的质量。这项工作突显了手性驱动界面工程对纳米酶功能性的深远影响，并为设计用于抗菌和其他生物医学应用的先进界面催化剂提供了基础策略。
引言
能够催化过氧化氢活化生成活性氧（ROS）的过氧化物酶（POD）模拟纳米酶，作为天然酶的替代品，在生物医学和抗菌应用中引起了越来越多的关注[1]、[2]、[3]。与脆弱的蛋白质酶相比，纳米酶具有更好的物理化学稳定性和加工性，这使得它们在需要长期保持活性的复杂生物和环境条件下特别具有吸引力[4]、[5]、[6]、[7]。特别是，响应性抗菌纳米酶已成为一个重要的研究方向，因为它们可以被设计成在感染相关的微环境中发挥作用，并能够控制ROS的生成以实现高效的病原体清除。最近的研究强调了它们在对抗感染和改善复杂生物环境中的抗菌性能方面的潜力[8]。同时，添加铜的材料因其固有的抗菌活性而受到广泛研究。它们的抗菌效果通常归因于多种机制，包括铜离子介导的膜损伤、细胞内生物分子的破坏、氧化还原相关的氧化应激以及对关键代谢过程的干扰。这种对基于铜的抗菌材料的更广泛理解与氧化铜纳米酶密切相关，在其中，铜的固有抗菌特性可能与酶模拟的ROS催化共同作用于观察到的杀菌性能[9]。纳米酶的催化性能本质上受其表面物理化学性质的控制，因此精确的界面工程是提高其活性和选择性的关键策略[6]、[10]、[11]。
从界面催化的角度来看，纳米酶的催化性能本质上受其表面物理化学性质的控制，包括表面配位基团、缺陷/空位分布、局部电荷分布以及界面电子转移特性[12]、[13]、[14]、[15]。特别是对于金属氧化物纳米酶，POD样活性通常与界面氧化还原过程和在配位不饱和位点的H?O?活化有关，其中吸附配置和电子转移共同控制ROS的形成途径和动力学。因此，精确的界面工程——而不仅仅是调整体相组成——已成为增强催化活性、调节底物亲和力和在纳米尺度上调控ROS生成的关键策略。然而，实现可编程的界面调制仍然具有挑战性，因为表面原子/电子结构对合成历史、配体环境和胶体界面化学非常敏感[16]、[17]、[18]。
手性是自然界的基本特征，为这种界面工程提供了一个强大的范例[19]、[20]。最近在手性纳米材料方面的进展表明，可以通过配体介导的生长、生物分子辅助的组装以及使用手性氨基酸、肽、糖类、酶和其他对映体构建块来引入手性。除了赋予几何不对称性外，这些策略还创建了定义明确的手性界面微环境，可以调节表面配位、底物吸附和界面电子转移。因此，手性纳米材料在催化、传感、分离和对映体选择性识别方面显示出显著的优势，这归功于它们增强的分子区分能力和可调的界面反应性[21]。将手性结构引入纳米酶可以深刻影响它们与底物以及局部微环境的相互作用，类似于在酶活性位点观察到的精细选择性[22]。重要的是，最近关于纳米酶特异性的研究进一步表明，催化性能和选择性不仅由活性中心决定，还由底物结合位点和周围的模块化界面结构决定。这些结合相关域可以富集催化中心附近的底物，调节吸附几何形状，并改变反应途径和效率[23]。这为操纵催化途径提供了有希望的途径[24]。这种界面可编程性对于抗菌纳米酶的设计也具有重要意义，因为生物界面上ROS生成的效率和可控性直接影响抗菌效果。然而，如何在金属氧化物纳米酶上刻意构建手性界面以及深入理解由此产生的结构-活性关系仍然研究不足。特别是，手性配体定义的界面结合环境如何促进底物区分、H?O?活化以及手性与非手性金属氧化物纳米酶的不同抗菌行为仍不够清楚。当前的挑战包括阐明手性配体如何协调界面处的原子和电子结构，以及这些变化如何定量增强催化动力学和ROS生成效率[25]、[26]。
为了解决这个问题，在本研究中，我们报告了一种使用对映体半胱氨酸配体构建手性L/D氧化铜分级结构（L/D-CuO）的手性驱动界面工程策略。我们假设手性配体不仅会在合成过程中决定分级形态，还会在活性铜中心周围创建一个明确的手性微环境，可能作为一个界面底物结合/调节区域，从而影响H?O?的吸附和活化，从而优化界面以进行催化反应。作为一个基于铜的纳米酶平台，该系统还可以将含铜材料的固有抗菌特性与POD样的ROS生成相结合，提供一种高效的抗菌途径。如图1所示，制备的L-CuO分级结构在H?O?存在下表现出优异的POD样活性。电子顺磁共振（EPR）分析证实了该系统中产生了羟基自由基，有效地诱导了膜破坏。抗菌实验表明，L-CuO与H?O?的联合处理对大肠杆菌的抑制率为90.2%，对金黄色葡萄球菌的抑制率为93.1%。水果和蔬菜保鲜实验表明，在樱桃和葡萄的储存过程中，L-CuO处理组表现出显著的重量损失减少，保持了最佳的硬度，并且在8天内腐败率低于10%。
材料
二甲基亚砜（DMSO，≥99.7%）购自上海Macklin生化技术有限公司；3,3′,5,5′-四甲基联苯胺（TMB，98%）购自山东凯源生化有限公司；L-半胱氨酸（99%）购自北京百灵伟科技有限公司；D-半胱氨酸（98%）购自上海Macklin技术有限公司；氯化铜(II)二水合物（AR）由上海Aladdin生化技术有限公司提供；甲醇（AR）和丙酮（AR）均购自广东
工程化手性界面的结构和手性光学特性
L/D-CuO是通过使用对映体半胱氨酸配体的一步法合成的，提供了一种简单且可扩展的路线，无需多步骤的后处理。扫描电子显微镜图像（图1A，S1）显示，所得结构呈现出由相互连接的纳米片组成的明确的分级、花朵状形态。这种独特的形态预计会提供较高的比表面积，有利于底物吸附和质量传递
结论
总之，本研究成功地将手性驱动界面工程确立为增强过氧化物酶样活性的强大策略。我们构建了具有明确界面微环境的L/D-CuO，其表现出显著增强的过氧化物酶样活性。动力学和光谱分析证实，这种手性界面提高了底物亲和力和催化转化率，从而实现了更高效的羟基自由基生成。
CRediT作者贡献声明
潘星欣：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原始草稿，方法学，研究，数据分析，概念化。陈熙泽：软件，资源。刘宇文：方法学，研究，数据分析。王敏：方法学，研究。刘玉佳：撰写 – 审稿与编辑，监督，概念化。张洪宇：撰写 – 审稿与编辑，项目管理，资金获取。冯亮：撰写 – 审稿与编辑，资金获取。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能会影响本文报告的工作。
致谢
本工作得到了国家自然科学基金（22508381、U25A20580）和DICP（DICP I202502）的财政支持。
