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Chem. Eur. J. :具有開(kāi)放結(jié)構(gòu)的分子印跡納米酶用于ssDNA的催化連接


南京大學(xué)劉震課題組報(bào)道了一種新型的基于反相微乳液的模板對(duì)接表面印跡策略 (RMTD-SI),用于設(shè)計(jì)和制備具有開(kāi)放結(jié)構(gòu)的分子印跡納米酶,使其具有對(duì)底物的自由捕獲能力,用于ssDNA的催化連接。所制備的分子印跡納米酶可以顯著提高催化反應(yīng)的速度,并展現(xiàn)出良好的底物選擇性。此外,這種分子印跡納米酶還可以進(jìn)一步催化具有與印跡空腔完全匹配序列的ssDNA與其他ssDNA底物連接,形成更長(zhǎng)序列的產(chǎn)物。



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圖1 (a) 基于反相微乳液的模板對(duì)接表面印跡(RMTD-SI)策略的原理和流程圖。(b) RMTD-SI策略所制備的分子印跡納米酶的催化機(jī)理示意圖。

天然酶作為一種高特異性的生物催化劑,可在溫和條件下通過(guò)酶促反應(yīng)使反應(yīng)速率提高幾個(gè)數(shù)量級(jí),從而高效、專一地催化生成產(chǎn)物。然而,天然酶存在體外穩(wěn)定性差、大規(guī)模制備困難以及難以重復(fù)利用等缺點(diǎn),這些問(wèn)題促使了研究人員對(duì)人工酶的開(kāi)發(fā)。納米酶作為一種新型的人工酶,相對(duì)天然酶具有明顯的優(yōu)勢(shì),例如催化活性更高、可控性好、制備簡(jiǎn)便、使用方便等,有望成為天然酶的替代品,在過(guò)去十年中引起了廣泛的關(guān)注。


分子印跡聚合物(MIP)由于其良好的特異性和高親和力,可以作為一種新型納米酶。早期的分子印跡納米酶利用過(guò)渡態(tài)類似物(TSAs)作為模板生成活性位點(diǎn),為納米酶的制備提供了新的途徑。在印跡空腔存在的情況下,反應(yīng)物可以被誘導(dǎo)形成過(guò)渡態(tài),降低反應(yīng)物的活化能,從而提高反應(yīng)速率。然而,使用過(guò)渡態(tài)類似物進(jìn)行印跡依賴于對(duì)過(guò)渡態(tài)和過(guò)渡態(tài)類似物結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確掌握,且過(guò)渡態(tài)類似物的結(jié)構(gòu)隨反應(yīng)底物的變化也會(huì)有很大的不同,這些為分子印跡納米酶的制備帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn),嚴(yán)重限制了分子印跡納米酶的發(fā)展和應(yīng)用。


為了克服上述問(wèn)題,劉震課題組在前期的工作(Journal of Materials Chemistry B, 2022, DOI: 10.1039/D1TB02325J)中首次提出了一種新的催化策略——親和聚集增強(qiáng)偶聯(lián)(AGEC),利用印跡空腔特異性識(shí)別反應(yīng)底物,并將不同底物的反應(yīng)基團(tuán)拉近,提高活性基團(tuán)的碰撞機(jī)率來(lái)加快反應(yīng)速度。同時(shí),結(jié)合溫度循環(huán)擴(kuò)增(TCA)的策略,通過(guò)溫度變化控制印跡空腔的氫鍵作用,避免產(chǎn)物抑制效應(yīng)。利用目標(biāo)產(chǎn)物作為印跡模板得到的分子印跡介孔材料,該團(tuán)隊(duì)已經(jīng)驗(yàn)證了該策略的可行性。然而,由于介孔材料的孔道位于材料內(nèi)部,不利于大分子的合成催化反應(yīng),需要設(shè)計(jì)新的納米結(jié)構(gòu)對(duì)于該催化策略進(jìn)行拓展應(yīng)用。


基于以上問(wèn)題,劉震課題組開(kāi)發(fā)了一種稱為“基于反相微乳液的模板對(duì)接表面印跡(RMTD-SI)”的新策略,用于設(shè)計(jì)和制備具有開(kāi)放結(jié)構(gòu)的分子印跡納米酶,使其具有對(duì)底物的自由捕獲能力,用于ssDNA的催化連接。該課題組對(duì)這種新型分子印跡納米酶的性質(zhì)及其催化行為進(jìn)行了深入的研究,并探究了其可能的機(jī)理。利用AGEC策略,證明了該分子印跡納米顆??梢宰鳛橐环N納米酶,催化ssDNA底物的連接,表現(xiàn)出良好的催化活性和底物選擇性。此外,與之前報(bào)道的基于介孔材料的分子印跡納米酶不同,該研究中報(bào)道的分子印跡納米酶還可以進(jìn)一步催化具有與印跡空腔完全匹配序列的ssDNA與其他ssDNA底物連接,形成更長(zhǎng)序列的產(chǎn)物,但失去了對(duì)其他底物的選擇性。通過(guò)機(jī)理分析,這可能是由于其開(kāi)放結(jié)構(gòu)帶來(lái)的對(duì)底物的自由捕獲能力。因此,該研究不僅為分子印跡納米酶的設(shè)計(jì)和制備提供了新的策略,而且對(duì)分子印跡納米酶的催化行為提供了新的見(jiàn)解。

文信息

Molecularly Imprinted Nanozymes with Free Substrate Access for Catalyzing the Ligation of ssDNA Sequences

Zhanchen Guo+, Qi Luo+, Prof. Dr. Zhen Liu*

該文收錄于《歐洲化學(xué)》“南京大學(xué)120周年校慶”特輯。


Chemistry – A European Journal

DOI: 10.1002/chem.202202052




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