“纳米模拟酶-DNA水凝胶”催化体系的构建及其在生物医学分析中的应用

Nanozymes have received intensive attention for the advantages of high catalytic efficiency, easy preparation and low cost. However, a large number of distractors in biological samples frequently lead to the destruction of nanozymes, which restricts their application to biological and medical analysis. Recent studies demonstrate that as a kind of 3D macroscopic material, pure DNA hydrogel with great plasticity and reusability could effectively enwrap gold nanoparticles and stabilize their catalytic activities in blood serum. Based on the above studies, the project is proposed that by applying DNA hydrogels with high performance may be prepared and used to enwrap nanozymes, thus general catalytic systems of “nanozyme-DNA hydrogel” could be constructed. Additionally, the construction methods should be explored and optimized. The physiochemical properties and mechanism of catalytic stability of the complex catalytic systems, especially the catalytic stabilization in complex biological samples must be extensively researched. New biochemical analyzing methods aiming at critical biomolecules such as glucose, choline, xanthine and so on may finally be constructed so as to achieve good application of nanozymes to biological samples analysis by taking its own great advantages.

纳米模拟酶因具有催化效率高、制备容易、价格低廉等优点而受到广泛关注。然而，生物样品中大量存在的干扰物极易破坏纳米模拟酶的稳定性，从而限制了其在生物医学分析中的应用。我们的前期研究证实，一种新型的具备良好可塑性和重复使用性的纯DNA水凝胶，作为三维宏观材料，可有效地包裹金纳米颗粒，并稳定其在血清中的催化性能。本项目拟用该新型纯DNA水凝胶分别包裹不同的纳米模拟酶，构建新型普适性的“纳米模拟酶-DNA水凝胶”催化体系，从而维持纳米模拟酶在复杂生物样品中的催化稳定性。通过探寻该复合催化体系的构建方法，研究该体系的催化稳定性，最终建立起基于该体系的针对葡萄糖、胆碱、黄嘌呤等关键生物分子的生物医学分析系统，从而在维持纳米模拟酶自身优势的基础上，实现纳米模拟酶在生物样品分析中的应用。

本项目提出构建三维纯DNA水凝胶包裹纳米模拟酶，构建新型普适性的“纳米模拟酶-DNA水凝胶”催化体系，从而维持纳米模拟酶在复杂生理条件下的催化稳定性，实现纳米模拟酶在生物医学分析中的应用。在项目实施过程中，我们紧密围绕建设目标，按照预定方案开展了一系列工作：（1）成功构建“纳米模拟酶-DNA水凝胶”催化体系。自主合成了金纳米颗粒（AuNPs）、石墨烯掺杂的复合纳米材料（AuNPs/rGO，Fe3O4/rGO）、铕基金属框架材料（Eu-MOF）等，将其负载于滚环扩增形成的DNA水凝胶中，并对体系进行表征和优化。（2）研究了“纳米模拟酶-DNA水凝胶”催化体系在生物医学分析中的应用。纳米模拟酶在复杂生物样品中具有良好的催化稳定性，成功实现了生物分子、具有生理功能的离子的定量分析。同时，该体系也能负载葡萄糖氧化酶、胆碱氧化酶等多种蛋白酶，与纳米模拟酶构建级联反应体系，成功应用于血清样品中葡萄糖、胆碱等关键生物分子的检测。此外，通过研究纳米模拟酶在生物样品中的催化性能以及关键影响因素，揭示了“纳米模拟酶-DNA水凝胶”催化体系的运行机制。本项目的开展不仅有助于拓宽纳米模拟酶在生物样品分析中的应用，也对基于DNA水凝胶的检测平台的构建提供了指导借鉴。在本项目的资助下，目前已正式发表标注有国家自然科学基金（31800670）的SCI论文6篇（全部为第一作者或通讯作者，通讯作者文章为学生一作；且影响因子全部大于5）。申请专利3项，培养研究生7名（包括共同培养），其中4名顺利毕业。顺利完成了申请时的预期目标（发表SCI论文2-3篇，申请专利1-2项，培养研究生2名）。