纳米酶是具有类酶催化活性的功能纳米材料。纳米酶作为新一代人工酶，在多个领域具有应用前景，比如生化分析、治疗、环境保护等。根据模拟酶种类的不同，纳米酶可划分为过氧化物纳米酶、氧化物纳米酶、超氧化物纳米酶、水解型纳米酶等。与天然酶一样，pH对纳米酶的活性存在着显著的影响。然而，应用场景中的pH往往和其最适pH不一致，这使得纳米酶的应用受到限制。例如，大多数过氧化物纳米酶的最适pH是酸性，而其往往需要在中性条件下应用，这造成了纳米酶的活性丧失以及应用表现不良。如何有效克服该pH限制仍然一个挑战。
天然酶的催化位点附近存在着丰富的化学微环境，其对天然酶的反应活性有着显著的影响。比如，化学微环境可以协助底物取向与结合、稳定中间态、调节酸碱催化等。酶工程领域应用了基因突变等技术有效地调整化学微环境，进而调控了酶的催化性质与反应活性。受此启发，研究者在纳米酶的催化位点附近调控化学微环境，从而实现局部的酸碱微环境。研究者以金属有机框架（MOF）为纳米酶模型，采用低分子量的聚丙烯酸（PAA）来作为Brønsted酸，并且将PAA限域到MOF过氧化物纳米酶的孔道内。由于PAA提供质子，从而实现了酸性的微环境，这使得该MOF过氧化物纳米酶在中性条件下也能发挥最佳催化活性 （图1）。
图1. 聚丙烯酸（PAA）限域实现MOF纳米酶催化位点附近的酸性微环境，提升纳米酶中性条件下的催化活性。
天然氧化酶被广泛用于与过氧化物纳米酶的级联催化反应，该级联反应在生化分析、疾病诊疗等方面具有潜在应用前景。许多天然氧化酶在中性条件下具有显著活性，而在酸性条件下几乎失活，比如尿酸氧化酶、乳酸氧化酶、胆碱氧化酶、醇氧化酶、D-氨基酸氧化酶等。然而，大部分过氧化物纳米酶却是在酸性条件下具有最佳活性。天然氧化酶与过氧化物纳米酶的pH失配导致了级联反应效率低下。PAA限域显著提升了MOF过氧化物纳米酶的中性活性，进而解决了与氧化酶的pH失配问题（图2a）。研究者进一步实现了中性条件下“一锅”级联催化反应，显著提升了催化效率 （图2b）。同时，利用该级联反应实现了对多种活性生物小分子以及氨基酸手性的高选择性检测。
图2. 微环境调控实现氧化酶与MOF纳米酶的最适pH匹配，并显著提升级联催化反应效率。
除此以外，研究者选择聚乙烯亚胺（PEI）来作为Brønsted碱，创造出碱性的微环境，显著提升了MOF纳米酶的类水解酶催化活性。该项研究提出了一种微环境工程的方法，克服了纳米酶的pH限制问题，也为异相催化剂的设计提供了新的视角。
该研究以“Microenvironmental modulation breaks intrinsic pH limitations of nanozymes to boost their activities”为题于2024年12月30日发表于Nature Communications。bw必威西汉姆联官网现工院博士生李通与匡亚明学院博士生王晓雨为共同第一作者，bw必威西汉姆联官网魏辉教授、董昊教授、天津大学武江洁星副教授为通讯作者。该工作得到了湖南大学邢航教授、京都大学Susumu Kitagawa教授以及Ken-ichi Otake副教授等重要指导。
