卿志和博士课题组在核酸-金属化学及探针构建领域再次取得新进展

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在生物学里，核酸分子承担遗传信息载体的功能。另外，由于核酸分子信息量大、易化学合成、易信号标记、可编码属性、良好的识别能力以及明确的结构参数，它在探针构建、材料制备、医学诊疗等多个领域展现出了优异的性能，具有高的科学研究价值和应用潜力，吸引了广泛的研究兴趣。其中，核酸分子包含丰富的功能位点（-P，-OH, -N, -O等）、纳米几何结构及独特的构型，为它与其它物质的相互作用提供了有效作用位点。尤其核酸-金属相互作用种类丰富、机理各异，在作用机理阐释和探针应用方面还存在诸多调整。近年来，长沙理工大学化学与食品工程学院卿志和博士课题组围绕“核酸-金属化学及探针构建”这一主题，针对其中的具体科学问题开展了较为系统的研究，并取得了阶段性新进展，近期在国际化学顶刊《德国应用化学》连续发表论文两篇。
       首先，基于DNA探针在铂纳米颗粒表面的高稳定性修饰和高保真信号释放的前期研究基础（Zhihe Qing, et al. Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 14044-14048; Zhihe Qing, et al. CCS Chem. 2020, 2, 1217–1230），卿志和博士课题组发展了一种细菌感染激活的纳米酶，在生理条件下同时打破局部pH和过氧化氢的限制，提高慢性伤口部位的抗菌效果。选取糖尿病伤口感染为研究模型，以DNA分子（细菌特异性核酸适体）功能化的铂纳米酶、葡萄糖氧化酶和透明质酸为组装单元，构建透明质酸酶（HAase）激活的纳米酶胶囊（APGH）。APGH在受感染的伤口中被细菌分泌的透明质酸酶激活，之后纳米酶通过表面修饰的核酸适体与细菌结合，葡萄糖氧化酶催化糖尿病伤口中高浓度的葡萄糖氧化，降低pH，补充过氧化氢，铂纳米酶在细菌表面原位生成·OH，提高了化动力学杀菌效果。APGH的活性转化与抗菌作用在体外实验和糖尿病伤口抗菌实验中得以验证。这种通过调控生理微环境以增强纳米酶活性的策略具有通用性，对促进纳米酶的生物学应用具有重要意义（Scheme 1）。该工作以“A Glucose-Powered Activatable Nanozyme Breaking pH and H2O2 Limitations for Treating Diabetic Infections”为题，于2021年8月10日发表在国际化学领域顶刊Angewandte Chemie，并入选VIP论文（Very Important Paper）和封面成果（Frontispiece），并被期刊官媒作新闻（News）报道。文章共同第一作者是长沙理工大学硕士生陈丽芳、硕士生邢硕晖和雷艳丽博士，通讯作者是卿志和副教授和杨荣华教授。文章链接：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.

       随后，基于核酸编码金属纳米材料的研究基础（Zhihe Qing, et al. Nano Today 2021, 36, 101021-101042; Zhihe Qing, et al. Angew. Chem. Int. Ed. 2013, 52, 9719-9722），卿志和博士课题组发展了一种Zn2+配位驱动的RNA纳米组装方法，实现功能RNA分子（mRNA、miRNA等）的细胞内高效递送。该方法操作简单，只需要将RNA分子和Zn2+在95℃下混合，即可获得具有球形形貌的纳米颗粒。由于高温消除了RNA复杂的二级结构，因此，该方法适用于不同组成、长度（从20到近1000个核苷酸）和结构的功能性RNA的包载，突显了其普适性。此外，相较于脂质体、阳离子聚合物、无机纳米载体等常用的RNA纳米载体，Zn2+配位驱动组装的RNA纳米颗粒具有优异的RNA包载量和转染效率。更重要的是，凝胶电泳、荧光光谱和ESI质谱等结果表明，包载的RNA保持了其结构的完整性；通过考察合成的绿色荧光蛋白基因mRNA纳米颗粒和抑癌miRNA纳米颗粒的生物学性能，发现Zn2+配位驱动的纳米组装体能够维持包载RNA的生物学功能，发挥高效的荧光信号报告作用和抗肿瘤作用（Scheme 2）。该工作以“Zn2+-Coordination-Driven RNA Assembly with Retained Integrity and Biological Functions”为题，于2021年8月17日发表在国际化学领域顶刊Angewandte Chemie，并被中国科学网和德国Willey数据库公众号（WilleyChem）采访报道。文章共同第一作者是邹振博士和硕士生贺丽蓓，通讯作者是卿志和副教授和杨荣华教授。文章链接：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：课题组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.




        文章来源：长沙理工大学
        卿志和，男，博士，副教授，研究生导师，细胞化学湖南省重点实验室副主任。湖南省优博，湖南省优青，长沙理工大学“湖湘学者”拔尖人才。从事分子水平和纳米尺度的生化分析与传感研究，得到了国家自然科学基金青年/面上项目、湖南省自然科学基金青年/优青项目、湖南省教育厅科学研究基金一般/优青项目等课题的资助。共发表SCI论文60余篇，其中以第一作者或通讯作者在Angew. Chem.、Nano Today、Chem. Sci.、Anal. Chem.、Environ. Sci. Technol.、Chem. Commun.、CCS Chem.、Sci. China. Chem.、Biosens. Bioelectron.等国内外权威期刊上发表学术论文多篇。研究成果得到了国内外同行的高度关注、肯定与参考, 总引用2700余次。申请国家发明专利5项。获得湖南省自然科学一等奖、湖南省优秀博士学位论文奖、长沙市自然科学优秀学术成果一等奖、长沙理工大学“湖湘学者”拔尖人才、长沙理工大学优秀教师等奖项。担任核心期刊《分析试验室》青年编委、SCI期刊《Frontiers in Chemistry》客座编辑、多部国际权威期刊审稿人、湖南省化学化工学会理事。作为研究方向带头人，建设、成立了细胞化学湖南省重点实验室，并担任副主任。担任MadeNew生物科技有限公司技术顾问，努力推进产学研合作，在生物医学、食品安全等相关领域产生社会、经济效益。