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 с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».