Каталитические свойства нанозимов, имитирующих пероксидазу

Обложка

Цитировать

Полный текст

Аннотация

Данный обзор представляет собой первую попытку критического анализа каталитических свойств нанозимов, имитирующих фермент пероксидазу. С этой целью рассмотрены основные факторы, влияющие на активность наночастиц, и проводится систематизация каталитических свойств, позволяющая достоверно сравнивать различные наноматериалы. Наибольшую каталитическую активность в реакции восстановления пероксида водорода (H2O2) демонстрируют азот-координированные атомы железа (FeN4, FeN5). Тем не менее, основными недостатками нанозимов на основе металлов или оксидов металлов, а также "одноатомных нанозимов", являются их дополнительные активности в реакциях восстановления кислорода и дисмутации H2O2, что существенно ограничивает возможность их практического применения. Наночастицы, каталитически синтезированные из наиболее эффективного электрокатализатора (берлинской лазури), помимо высочайшей каталитической активности демонстрируют ферментативную селективность. Это может указывать на одновременный перенос электронов на H2O22 от разных атомов железа. Таким образом, помимо синтезируемых в настоящее время катализаторов, биметаллические структуры (подобные структурам Fe–Fe) представляются перспективными для синтеза "одноатомных" нанозимов. Библиография — 121 ссылка.

Об авторах

Аркадий Аркадьевич Карякин

Московский государственный университет имени М. В. Ломоносова, химический факультет

Email: aak@analyt.chem.msu.ru
ORCID iD: 0000-0002-0457-7638
доктор химических наук, профессор

Список литературы

  1. F.Manea, F.B.Houillon, L.Pasquato, P.Scrimin. Angew. Chem., Int. Ed., 43, 6165 (2004)
  2. G.M.Blackburn, A.S.Kang, G.A.Kingsbury, D.R.Burton. Biochem. J., 262, 381 (1989)
  3. T.R.Cech. Harvey Lect., 82, 123 (1986)
  4. J.J.Rossi, N.Sarver. Trends Biotechnol., 8, 179 (1990)
  5. X.Y.Xiao, A.J.Bard. J. Am. Chem. Soc., 129, 9610 (2007)
  6. X.Y.Xiao, F.R.F.Fan, J.P.Zhou, A.J.Bard. J. Am. Chem. Soc., 130, 16669 (2008)
  7. E.Katelhon, L.Sepunaru, A.A.Karyakin, R.G.Compton. ACS Catal., 6, 8313 (2016)
  8. L.Huang, J.Chen, L.Gan, J.Wang, S.Dong. Sci. Adv., 5, eaav5490 (2019)
  9. S.-K.Lee, S.DeBeer George, W.E.Antholine, B.Hedman, K.O.Hodgson, E.I.Solomon. J. Am. Chem. Soc., 124, 6180 (2002)
  10. A.I.Yaropolov, V.Malovik, S.D.Varfolomeev, I.V.Berezin. Dokl. Akad. Nauk SSSR, 249, 1399 (1979)
  11. T.Ruzgas, E.Csöregi, J.Emnéus, L.Gorton, G.Marko-Varga. Anal. Chim. Acta, 330, 123 (1996)
  12. A.Bach, R.Chodat. Ber. Dtsch. Chem. Ges., 36, 600 (1903)
  13. P.Jones, D.Mantle, I.Wilson. J. Inorg. Biochem., 17, 293 (1982)
  14. D.I.Metelitza, V.A.Shibaev, A.N.Eryomin, V.I.Melnik, Z.I.Zhilina. Biochemistry-Moscow, 60, 257 (1995)
  15. R.A.W.Johnstone, A.J.Simpson, P.A.Stocks. Chem. Commun., 2277 (1997)
  16. L.Z.Gao, J.Zhuang, L.Nie, J.B.Zhang, Y.Zhang, N.Gu, T.H.Wang, J.Feng, D.L.Yang, S.Perrett, X.Yan. Nat. Nanotechnol., 2, 577 (2007)
  17. G.G.Guilbault, G.J.Lubrano, D.N.Gray. Anal. Chem., 45, 2255 (1973)
  18. Y.Zhang, G.S.Wilson. J. Electroanal. Chem., 345, 253 (1993)
  19. A.A.Karyakin. Curr. Opin. Electrochem., 5, 92 (2017)
  20. J.Fan, J.J.Yin, B.Ning, X.Wu, Y.Hu, M.Ferrari, G.J.Anderson, J.Wei, Y.Zhao, G.Nie. Biomaterials, 32, 1611 (2011)
  21. K.Cai, Z.C.Lv, K.Chen, L.Huang, J.Wang, F.Shao, Y.J.Wang, H.Y.Han. Chem. Commun., 49, 6024 (2013)
  22. S.E.Son, P.K.Gupta, W.Hur, H.B.Lee, Y.Park, J.Park, S.N.Kim, G.H.Seong. Anal. Bioanal. Chem., 414, 7191 (2022)
  23. Y.Fu, X.Zhao, J.Zhang, W.Li. J. Phys. Chem. C, 118, 18116 (2014)
  24. S.B.He, H.H.Deng, A.L.Liu, G.W.Li, X.H.Lin, W.Chen, X.H.Xia. ChemCatChem, 6, 1543 (2014)
  25. W.Li, B.Chen, H.Zhang, Y.Sun, J.Wang, J.Zhang, Y.Fu. Biosens. Bioelectron., 66, 251 (2015)
  26. Z.F.Wang, X.Yang, J.J.Yang, Y.Y.Jiang, N.Y.He. Anal. Chim. Acta, 862, 53 (2015)
  27. Y.Shen, Y.Zhao, Y.Zhu, J.Wang. Microchim. Acta, 189, 18 (2022)
  28. L.Li, B.Chen, M.Guo, Q.Yang, Y.Zhang, M.Zhang. ACS Appl. Nano Mat., 5, 1397 (2022)
  29. W.He, Y.Liu, J.Yuan, J.-J.Yin, X.Wu, X.Hu, K.Zhang, J.Liu, C.Chen, Y.Ji, Y.Guo. Biomaterials, 32, 1139 (2011)
  30. X.N.Hu, A.Saran, S.Hou, T. Wen, Y.L.Ji, W.Q.Liu, H.Zhang, W.W.He, J.J.Yin, X.C.Wu. RSC Adv., 3, 6095 (2013)
  31. X.H.Pham, V.K.Tran, E.Hahm, Y.H.Kim, J.Kim, W.Kim, B.H.Jun. Int. J. Mol. Sci., 23, 6424 (2022)
  32. W.W.He, X.C.Wu, J.B.Liu, X.N.Hu, K.Zhang, S.A.Hou, W.Y.Zhou, S.S.Xie. Chem. Mater., 22, 2988 (2010)
  33. L.L.Guo, H.J.Zheng, C.J.Zhang, L.B.Qu, L.L.Yu. Talanta, 210, 120621 (2020)
  34. Z.Xi, K.C.Wei, Q.X.Wang, M.J.Kim, S.H.Sun, V.Fung, X.H.Xia. J. Am. Chem. Soc., 143, 2660 (2021)
  35. T.Jiang, Y.Song, D.Du, X.T. Liu, Y.H.Lin. Acs Sensors, 1, 717 (2016)
  36. P.K.Gupta, S.E.Son, G.H.Seong. Microchim. Acta, 188, 119 (2021)
  37. S.E.Son, P.K.Gupta, W.Hur, H.B.Lee, Y.Park, J.Park, S.N.Kim, G.H.Seong. ACS Appl. Nano Mat., 4, 8282 (2021)
  38. J.P.Wei, X.L.Chen, S.G.Shi, S.G.Mo, N.F.Zheng. Nanoscale, 7, 19018 (2015)
  39. Y.Jv, B.Li, R.Cao. Chem. Commun., 46, 8017 (2010)
  40. X.X.Wang, Q.Wu, Z.Shan, Q.M.Huang. Biosens. Bioelectron., 26, 3614 (2011)
  41. C.L.Li, C.C.Huang, W.H.Chen, C.K.Chiang, H.T.Chang. Analyst, 137, 5222 (2012)
  42. M.Drozd, M.Pietrzak, P.Parzuchowski, M.Mazurkiewicz- Pawlicka, E.Malinowska. Nanotechnology, 26, 495101 (2015)
  43. Z.C.Huang, B.W.Liu, J.W.Liu. Nanoscale, 12, 22467 (2020)
  44. R.Cai, X.Gao, C.Zhang, Z.Hu, Y.Ji, J.Liu, X.Wu. Nanotechnology, 32, 485702 (2021)
  45. R.Sun, R.Lv, Y.Zhang, T.Du, Y.Li, L.Chen, Y.Qi. RSC Adv., 12, 21875 (2022)
  46. H.Yang, Z.Sun, X.Qin, H.Wu, H.Zhang, G.Liu. Food Chem., 376, 131906 (2022)
  47. H.Wei, E.Wang. Anal. Chem., 80, 2250 (2008)
  48. H.Dong, W.Du, J.Dong, R.Che, F.Kong, W.Cheng, M.Ma, N.Gu, Y.Zhang. Nat. Commun., 13, 5365 (2022)
  49. Y.Liu, F.Yu. Nanotechnology, 22, 145704 (2011)
  50. B.W.Liu, X.Han, J.W.Liu. Nanoscale, 8, 13620 (2016)
  51. K.L.Fan, H.Wang, J.Q.Xi, Q.Liu, X.Q.Meng, D.M.Duan, L.Z.Gao, X.Y.Yan. Chem. Commun., 53, 424 (2017)
  52. C.P.Ding, Y.H.Yan, D.S.Xiang, C.L.Zhang, Y.Z.Xian. Microchim. Acta, 183, 625 (2016)
  53. C.Song, W.Ding, W.W.Zhao, H.B.Liu, J.Wang, Y.W.Yao, C.Yao. Biosens. Bioelectron., 151, 111983 (2020)
  54. Z.H.Dai, S.H.Liu, J.C.Bao, H.X.Jui. Chemistry-a Eur. J., 15, 4321 (2009)
  55. A.K.Dutta, S.K.Maji, D.N.Srivastava, A.Mondal, P.Biswas, P.Paul, B.Adhikary. ACS Appl. Mater. Interfaces, 4, 1919 (2012)
  56. R.X.Qin, Y.S.Feng, D.D.Ding, L.Chen, S.Li, H.P.Deng, S.L.Chen, Z.X.Han, W.J.Sun, H.M.Chen. ACS Appl. Bio Mater., 4, 5520 (2021)
  57. L.Wang, J.Xue, J.Chang, C.Yu, H.Dai, Z.Yao, J.Zhou, G.Sun, W.Huang. J. Mater. Sci., 56, 13579 (2021)
  58. Q.Liu, Y.Yang, H.Li, R.Zhu, Q.Shao, S.Yang, J.Xu. Biosens. Bioelectron., 64, 147 (2015)
  59. J.Mu, Y.Wang, M.Zhao, L.Zhang. Chem. Commun., 48, 2540 (2012)
  60. D.Jampaiah, T.S.Reddy, V.E.Coyle, A.Nafadybc, S.K.Bhargava. J. Mater. Chem. B, 5, 720 (2017)
  61. Y.Sun, H.Xu, X.Zhao, Z.Hui, C.Yu, L.Wang, J.Xue, Y.Zhao, R.Zhou, H.Dai, C. Miao, Q. Chen, J.Zhou, G.Sun, W.Huang. J. Mater. Chem. B, 7, 6232 (2019)
  62. Y.Sun, H.Xu, L.Wang, C.Yu, J.Zhou, Q.Chen, G.Sun, W.Huang. J. Mater. Chem. B, 9, 983 (2021)
  63. Q.Wu, L.He, Z.W.Jiang, Y.Li, Z.M.Cao, C.Z.Huang, Y.F.Li. Biosens. Bioelectron., 145, 111704 (2019)
  64. W.W.He, H.M.Jia, X.X.Li, Y.Lei, J.Li, H.X.Zhao, L.W.Mi, L.Z.Zhang, Z.Zheng. Nanoscale, 4, 3501 (2012)
  65. Y.Chen, H.Cao, W.Shi, H.Liu, Y.Huang. Chem. Commun., 49, 5013 (2013)
  66. Q.T.Li, Q.Wang, Y.Li, X.D.Zhang, Y.M.Huang. Anal. Methods, 13, 2066 (2021)
  67. M.A.Komkova, E.E.Karyakina, A.A.Karyakin. J. Am. Chem. Soc., 140, 11302 (2018)
  68. H.H.Ye, J.Mohar, Q.X.Wang, M.Catalano, M.J.Kim, X.H.Xia. Sci. Bull., 61, 1739 (2016)
  69. Z.J.Zhang, X.H.Zhang, B.W.Liu, J.W.Liu. J. Am. Chem. Soc., 139, 5412 (2017)
  70. L.Jiao, W.Xu, H.Yan, Y.Wu, C.Liu, D.Du, Y.Lin, C.Zhu. Anal. Chem., 91, 11994 (2019)
  71. X.Niu, Q.Shi, W.Zhu, D.Liu, H.Tian, S.Fu, N.Cheng, S.Li, J.N.Smith, D.Du, Y.Lin. Biosens. Bioelectron., 142, 111495 (2019)
  72. B.Xu, H.Wang, W.Wang, L.Gao, S.Li, X.Pan, H.Yang, X.Meng, Q.Wu, L.Zheng, S.Chen, X.Shi, K.Fan, X.Yan, H.Liu. Angew. Chem., Int. Ed., 58, 4911 (2019)
  73. C.Zhao, C.Xiong, X.Liu, M.Qiao, Z.Li, T.Yuan, J.Wang, Y.Qu, X.Wang, F.Zhou, Q.Xu, S.Wang, M.Chen, W.Wang, Y.Li, T.Yao, Y.Wu. Chem. Commun., 55, 2285 (2019)
  74. N.Cheng, J.C.Li, D.Liu, Y.Lin, D.Du. Small, 15, 1901485 (2019)
  75. M.S.Kim, J.Lee, H.S.Kim, A.Cho, K.H.Shim, T.N.Le, S.S.A.An, J.W.Han, M.I.Kim. Adv. Funct. Mater., 30, 1905410 (2020)
  76. S.Ji, B.Jiang, H.Hao, Y.Chen, J.Dong, Y.Mao, Z.Zhang, R.Gao, W.Chen, R.Zhang, Q.Liang, H.Li, S.Liu, Y.Wang, Q.Zhang, L.Gu, D.Duan, M.Liang, D.Wang, X.Yan, Y.Li. Nat. Catal., 4, 407 (2021)
  77. P.Keoingthong, Q.Hao, S.K.Li, L.Zhang, J.Q.Xu, S.Wang, L.Chen, W.H.Tan, Z.Chen. Chem. Commun., 57, 7669 (2021)
  78. B.Xu, S.Li, L.Zheng, Y.Liu, A.Han, J.Zhang, Z.Huang, H.Xie, K.Fan, L.Gao, H.Liu. Adv. Mater., 34, 2107088 (2022)
  79. S.Zhang, Y.Li, S.Sun, L.Liu, X.Mu, S.Liu, M.Jiao, X.Chen, K.Chen, H.Ma, T. Li, X.Liu, H.Wang, J.Zhang, J.Yang, X.D.Zhang. Nat. Commun., 13, 4744 (2022)
  80. I.M.Ralston, H.B.Dunford, J.Wauters, K.Heremans. Biophys. J., 36, 311 (1981)
  81. C.V.Kumar, A.Chaudhari. Chem. Commun., 2, 2382 (2002)
  82. W.Wu, L.Huang, E.Wang, S.Dong. Chem. Sci., 11, 9741 (2020)
  83. K.Mosbach. Trends Biochem. Sci., 19, 9 (1994)
  84. B.Sellergren, M.Lepisto, K.Mosbach. J. Am. Chem. Soc., 110, 5853 (1988)
  85. G.G.Guilbault, G.J.Lubrano. Anal. Chim. Acta, 64, 439 (1973)
  86. F.W.Scheller, D.Pfeifer, F.Schubert, R.Reneberg, D.Kirstein. In Biosensors: Fundamental and Applications. (Eds A.P.F.Turner, I.Karube and J.S.Wilson). (Oxford: Oxford University Press, 1987)
  87. A.A.Karyakin, O.V.Gitelmacher, E.E.Karyakina. Anal. Lett., 27, 2861 (1994)
  88. A.A.Karyakin, O.V.Gitelmacher, E.E.Karyakina. Anal. Chem., 67, 2419 (1995)
  89. Miscellanea Berolinensia ad Incrementium Scientiarum. (Berlin, 1710)
  90. D.Brown. J. Philos.Trans., 33, 17 (1724)
  91. V.D.Neff. J. Electrochem. Soc., 128, 886 (1978)
  92. A.B.Bocarsly, S.Sinha. J. Electroanal. Chem., 137, 157 (1982)
  93. K.Itaya, T.Ataka, S.Toshima. J. Am. Chem. Soc., 104, 4767 (1982)
  94. J.F.Duncan, P.W.R.Wrigley. J. Chem. Soc., 1120 (1963)
  95. J.A.Ibers, N.Davidson. J. Am. Chem. Soc., 73, 476 (1951)
  96. D.Ellis, M.Eckhoff, V.D.Neff. J. Phys. Chem., 85, 1225 (1981)
  97. A.A.Karyakin, E.E.Karyakina, L.Gorton. J. Electroanal. Chem., 456, 97 (1998)
  98. A.A.Karyakin, E.E.Karyakina, L.Gorton. Electrochem. Commun., 1, 78 (1999)
  99. M.S.Lin, B.I.Jan. Electroanalysis, 9, 340 (1997)
  100. R.Garjonyte, A.Malinauskas. Sens. Actuators, B, B56, 93 (1999)
  101. J.Wang, X.J.Zhang, M.Prakash. Anal. Chim. Acta, 395, 11 (1999)
  102. P.A.Fiorito, S.I.C.de Torresi. J. Electroanal. Chem., 581, 31 (2005)
  103. L.Guadagnini, D.Tonelli, M.Giorgetti. Electrochim. Acta, 55, 5036 (2010)
  104. Z.Wang, X.Hao, Z.Zhang, S.Liu, Z.Liang, G.Guan. Sens. Actuators B: Chem., 162, 353 (2012)
  105. Z.Wang, S.Sun, X.Hao, X.Ma, G.Guan, Z.Zhang, S.Liu. Sens. Actuators B: Chem., 171, 1073 (2012)
  106. L.Han, Q.Wang, S.Tricard, J.Liu, J.Fang, J.Zhao, W.Shen. RSC Adv., 3, 281 (2013)
  107. N.S.Sangeetha, S.S.Narayanan. Anal. Chim. Acta, 828, 34 (2014)
  108. N.A.Sitnikova, M.A.Komkova, I.V.Khomyakova, E.E.Karyakina, A.A.Karyakin. Anal. Chem., 86, 4131 (2014)
  109. A.V.Borisova, E.E.Karyakina, S.Cosnier, A.A.Karyakin. Electroanalysis, 21, 409 (2009)
  110. M.A.Komkova, O.A.Ibragimova, E.E.Karyakina, A.A.Karyakin. J. Phys. Chem. Lett., 12, 171 (2021)
  111. J.F.Keggin, F.D.Miles. Nature (London), 137, 577 (1936)
  112. W.Zhang, S.Hu, J.J.Yin, W.He, W.Lu, M.Ma, N.Gu, Y.Zhang. J. Am. Chem. Soc., 138, 5860 (2016)
  113. B.Chance. J. Biol. Chem., 151, 553 (1943)
  114. B.Chance. Science, 109, 204 (1949)
  115. B.Chance. Arch. Biochem. Biophys., 41, 416 (1952)
  116. H.B.Dunford, J.S.Stillman. Coord. Chem. Rev., 19, 187 (1976)
  117. G.I.Berglund, G.H.Carlsson, A.T.Smith, H.Szoke, A.Henriksen, J.Hajdu. Nature (London), 417, 463 (2002)
  118. G.Battistuzzi, M.Bellei, C.A.Bortolotti, M.Sola. Arch. Biochem. Biophys., 500, 21 (2010)
  119. R.S.Koduri, R.E.Whitwam, D.Barr, S.D.Aust, M.Tien. Arch. Biochem. Biophys., 326, 261 (1996)
  120. T.L.Hill. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 72, 4918 (1975)
  121. D.Shoup, G.Lipari, A.Szabo. Biophys. J., 36, 697 (1981)

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать

Согласие на обработку персональных данных

 

Используя сайт https://journals.rcsi.science, я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных») даю согласие на обработку персональных данных на этом сайте (текст Согласия) и на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика» (текст Согласия).