在生物學里，核酸分子承擔遺傳信息載體的功能。另外，由于核酸分子信息量大、易化學合成、易信號標記、可編碼屬性、良好的識別能力以及明確的結(jié)構(gòu)參數(shù)，它在探針構(gòu)建、材料制備、醫(yī)學診療等多個領(lǐng)域展現(xiàn)出了優(yōu)異的性能，具有高的科學研究價值和應用潛力，吸引了廣泛的研究興趣。其中，核酸分子包含豐富的功能位點（-P，-OH, -N, -O等）、納米幾何結(jié)構(gòu)及獨特的構(gòu)型，為它與其它物質(zhì)的相互作用提供了有效作用位點。尤其核酸-金屬相互作用種類豐富、機理各異，在作用機理闡釋和探針應用方面還存在諸多調(diào)整。近年來，長沙理工大學化學與食品工程學院卿志和博士課題組圍繞“核酸-金屬化學及探針構(gòu)建”這一主題，針對其中的具體科學問題開展了較為系統(tǒng)的研究，并取得了階段性新進展，近期在國際化學頂刊《德國應用化學》連續(xù)發(fā)表論文兩篇。

首先，基于DNA探針在鉑納米顆粒表面的高穩(wěn)定性修飾和高保真信號釋放的前期研究基礎(chǔ)（Zhihe Qing, et al. Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 14044-14048; Zhihe Qing, et al. CCS Chem. 2020, 2, 1217–1230），卿志和博士課題組發(fā)展了一種細菌感染激活的納米酶，在生理條件下同時打破局部pH和過氧化氫的限制，提高慢性傷口部位的抗菌效果。選取糖尿病傷口感染為研究模型，以DNA分子（細菌特異性核酸適體）功能化的鉑納米酶、葡萄糖氧化酶和透明質(zhì)酸為組裝單元，構(gòu)建透明質(zhì)酸酶（HAase）激活的納米酶膠囊（APGH）。APGH在受感染的傷口中被細菌分泌的透明質(zhì)酸酶激活，之后納米酶通過表面修飾的核酸適體與細菌結(jié)合，葡萄糖氧化酶催化糖尿病傷口中高濃度的葡萄糖氧化，降低pH，補充過氧化氫，鉑納米酶在細菌表面原位生成·OH，提高了化動力學殺菌效果。APGH的活性轉(zhuǎn)化與抗菌作用在體外實驗和糖尿病傷口抗菌實驗中得以驗證。這種通過調(diào)控生理微環(huán)境以增強納米酶活性的策略具有通用性，對促進納米酶的生物學應用具有重要意義（Scheme 1）。該工作以“A Glucose-Powered Activatable Nanozyme Breaking pH and H₂O₂ Limitations for Treating Diabetic Infections”為題，于2021年8月10日發(fā)表在國際化學領(lǐng)域頂刊Angewandte Chemie，并入選VIP論文（Very Important Paper）和封面成果（Frontispiece），并被期刊官媒作新聞（News）報道。文章共同第一作者是長沙理工大學碩士生陳麗芳、碩士生邢碩暉和雷艷麗博士，通訊作者是卿志和副教授和楊榮華教授。文章鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202107712。

Scheme 1. (a) The preparation route for the nanozyme capsule (APGH) with aptamer-functionalized platinum nanozymes (Apt-PtNZ), glucose oxidase (GOX) and hyaluronic acid (HA). (b) Schematic illustration of APGH activation, activity switching in the infected wound, and its application for chemodynamic sterilization through in situ generation of ·OH on bacteria surface.

隨后，基于核酸編碼金屬納米材料的研究基礎(chǔ)（Zhihe Qing, et al. Nano Today 2021, 36, 101021-101042; Zhihe Qing, et al. Angew. Chem. Int. Ed. 2013, 52, 9719-9722），卿志和博士課題組發(fā)展了一種Zn²⁺配位驅(qū)動的RNA納米組裝方法，實現(xiàn)功能RNA分子（mRNA、miRNA等）的細胞內(nèi)高效遞送。該方法操作簡單，只需要將RNA分子和Zn²⁺在95℃下混合，即可獲得具有球形形貌的納米顆粒。由于高溫消除了RNA復雜的二級結(jié)構(gòu)，因此，該方法適用于不同組成、長度（從20到近1000個核苷酸）和結(jié)構(gòu)的功能性RNA的包載，突顯了其普適性。此外，相較于脂質(zhì)體、陽離子聚合物、無機納米載體等常用的RNA納米載體，Zn²⁺配位驅(qū)動組裝的RNA納米顆粒具有優(yōu)異的RNA包載量和轉(zhuǎn)染效率。更重要的是，凝膠電泳、熒光光譜和ESI質(zhì)譜等結(jié)果表明，包載的RNA保持了其結(jié)構(gòu)的完整性；通過考察合成的綠色熒光蛋白基因mRNA納米顆粒和抑癌miRNA納米顆粒的生物學性能，發(fā)現(xiàn)Zn²⁺配位驅(qū)動的納米組裝體能夠維持包載RNA的生物學功能，發(fā)揮高效的熒光信號報告作用和抗腫瘤作用（Scheme 2）。該工作以“Zn²⁺-Coordination-Driven RNA Assembly with Retained Integrity and Biological Functions”為題，于2021年8月17日發(fā)表在國際化學領(lǐng)域頂刊Angewandte Chemie，并被中國科學網(wǎng)和德國Willey數(shù)據(jù)庫公眾號（WilleyChem）采訪報道。文章共同第一作者是鄒振博士和碩士生賀麗蓓，通訊作者是卿志和副教授和楊榮華教授。文章鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202110404。

Scheme 2. Left: Schematic illustration of Zn²⁺-driven self-assembly of Zn²⁺ and RNA molecules. Right: (A) SEM image and (B) TEM image of the Zn-RNA NPs. (C) High angle annular dark field-scanning transmission electron microscopy (HAADFSTEM) image and the corresponding elemental mapping images of the Zn-RNA NPs.

附：課題組近年取得的代表性成果（10篇）：

[1] Lifang Chen, Shuohui Xing, Zhihe Qing*, et al. Angew. Chem. Int. Ed. 2021, DOI: 10.1002/anie.202107712.

[2] Zhen Zou, Libei He, Zhihe Qing*, et al. Angew. Chem. Int. Ed. 2021, DOI: 10.1002/ange.202110404.

[3] Fengzhou Xu, Taiping Qing, Zhihe Qing*. Nano Today 2021, 36, 101021-101042.

[4] Zhihe Qing*, Jinlei Hu, Jingyuan Xu, et al. Chem. Sci. 2020, 11, 1985-1990.

[5] Zhihe Qing*, Jingyuan Xu, Jinlei Hu, et al. Angew. Chem. Int. Ed. 2019, 58, 11574-11585.

[6] Zhihe Qing, Guoyan Luo, Shuohui Xing, et al. Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 14044-14048.

[7] Zhihe Qing*, Ailing Bai, Lifang Chen, et al. CCS Chem. 2020, 2, 1217-1230.

[8] Zhihe Qing, Xiaoxiao He, Dinggeng He, et al. Angew. Chem. Int. Ed. 2013, 52, 9719 -9722.

[9] Zhihe Qing*, Lixuan Zhu, Xiaoxuan Li, et al. Environ. Sci. Technol. 2017, 51, 11884-11890.

[10] Changhui Liu, Weiju Chen, Zhihe Qing*, et al. Anal. Chem. 2016, 88, 3998-4003.

（圖文/卿志和  審/曹忠）