一种二维纳米材料作为脱氢酶的应用制造技术

本发明专利技术公开了一种二维纳米材料作为脱氢酶的应用，属于纳米生物学技术领域。本发明专利技术利用二维纳米材料的结构和元素特性，实现脱氢酶底物的催化，在无需NAD参与的条件下，可将乳酸、乙醇等生命有机体内的重要小分子进行脱氢反应，生成与生物酶相同的反应产物。本发明专利技术所述二维纳米材料可用于替代昂贵的脱氢酶，可应用于生物医药领域，极大程度上降低成本，并且可以用于一些极端环境中，甚至是工业合成的反应中，替代某些关键步骤。

Application of a two-dimensional nano material as dehydrogenase

【技术实现步骤摘要】
一种二维纳米材料作为脱氢酶的应用
本专利技术涉及一种二维纳米材料作为脱氢酶的应用，属于纳米生物学

技术介绍
二维纳米材料是指具有纳米片层结构的多元素纳米材料，具有比表面积大，表面活性高的特点。常见的二维纳米材料为氧化石墨烯、含硒化合物、含硫化合物、氮化硼等。二维纳米材料可根据制备方法的不同合成出不同层数/厚度(2-1000nm)的纳米结构，还可以在表面进行官能团的修饰。二维纳米材料具有良好的电学特性、丰富的表面活性基团，在材料、生物工程等领域具有广泛应用。二维过渡金属二硫化物电子能带结构具有直接的带隙，使其在光致发光、吸收光谱以及光伏效应等性质上相较于过渡金属二硫化物都有所改变。直接的能带带隙对于光的吸收和发散都有很大的影响，其对于光的利用更加完全，利用二维结构对于这种材料对于光敏性能的提升，人们用单层MoS2薄膜制作了光电晶体管，单层MoS2薄膜也被用于制作LED器件。极大的比表面积,较高的近红外区吸收,以及原子序数大是二维纳米材料的另一大特点,基于该特性以MoS2，WS2，TiS2为代表的二维纳米材料在生物医药领域也被应用于生物成像，肿瘤光热治疗，生物检测等领域。脱氢酶(Dehydrogenase)是生物体内最重要的一类酶，不但参与三羧酸循环，并且是呼吸链上的关键酶，因此经常作为临床诊断中重要的生理生化指标。该类酶通常以NAD为辅酶，完成H的转移与传递。例如乳酸脱氢酶将乳酸转化成丙酮酸，乙醇脱氢酶将乙醇转化成乙醛等。然而基于蛋白质的生物酶具有成本高、不易保存(对极端环境如高温、极端pH，高离子强度的抗性差)、在有机试剂中立刻变性，无法重复利用等缺点。因此，发展具有类酶活性的模拟酶是近年来的研究热点。纳米酶是一类具有类似酶功能催化活性的纳米材料，自2007年被提出以来，受到广泛关注，众多纳米材料被报道具有类酶活性。例如，目前已发现二氧化铈纳米粒、二氧化锰纳米颗粒、氧化铜纳米粒、四氧化三钴纳米颗粒、五氧化二钒纳米线等都具有过氧化物酶催化活性；贵金属(noblemetal)纳米材料同样具有过氧化物酶催化活性，包括金纳米颗粒、铂纳米颗粒以及多金属形成的复合纳米材料等；以石墨烯、富勒烯为代表的碳纳米材料具有核酸酶、超氧化物歧化酶的活性。然而，目前的纳米酶种类有限，只能催化无机氧族(活性氧，过氧化氢，超氧自由基等)的反应，针对生物体系的有机物催化的纳米酶尚未发现。
技术实现思路
为解决上述技术问题，本专利技术利用二维纳米材料的结构和元素特性，实现脱氢酶底物的催化，在无需NAD参与的条件下，可将乳酸、乙醇等生命有机体内的重要小分子进行脱氢反应，生成与生物酶相同的反应产物。与蛋白酶比较，二维纳米材料类酶具有可大批量制备、成本高、可多次重复利用、稳定性更强、易于修饰改性等优点。本专利技术的第一个目的是提供一种二维纳米材料作为脱氢酶的应用，所述的二维纳米材料为含IVB族、VB族、IVA族或VIA族元素的二维纳米材料。进一步地，所述的二维纳米材料为厚度为2-1000nm的片层纳米结构。进一步地，所述的二维纳米材料为SnSe、Ti3C2或Nb2C的二维纳米片层。进一步地，所述的二维纳米材料优选为SnSe二维纳米片层。进一步地，所述的SnSe二维纳米片层是从现有的具有片层结构的块状SnSe原料中剥离出来的，具有单层结构的纳米材料。随着纳米片的厚度增加，催化活性会下降。进一步地，所述的应用具体是在氢受体存在的条件下，二维纳米材料催化底物进行脱氢反应。进一步地，所述的底物具有如下结构通式的化合物中的一种或一种以上组合：其中，R1、R2独立选自H、醇、酸、醚、醛、磷酯或CH3(CH2)n直链烷烃基团；其中n为0～5中的整数，H为氕、氘或氚，R1、R2不能同时为H。进一步的，所述的氢受体不局限于蛋白脱氢酶的辅酶(NAD，NADP，FAD等)。进一步地，所述的底物为乳酸、甘油三磷酸、苹果酸或乙醇中的一种或一种以上组合。进一步地，所述的脱氢反应的底物浓度范围为10mM-5M。进一步地，所述的脱氢反应的温度为4-60℃，离子强度为0-1.5mol/kg，pH为2-11。进一步地，所述的应用具体用于鉴定细胞代谢产物、检测环境有害物质、环境污染物处理或用于制备预防监控脱氢酶异常指征疾病的产品。进一步地，所述的应用是配合具有显色特性的氢受体进行应用。进一步地，所述的具有显色特性的氢受体包含但不局限于3-(4,5-dimethylthiazol-2-yl)-5-(3-carboxymethoxyphenyl)-2-(4-sulfophenyl)-2H-tetrazolium(MTS)、3-(4,5-dimethylthiazolyl-2)-2,5-diphenyltetrazoliumbromide(MTT)或脱氢酶活性检测试剂盒。本专利技术的有益效果是：本专利技术利用二维纳米材料的结构和元素特性，实现脱氢酶底物的催化，在无需NAD参与的条件下，可将乳酸、乙醇等生命有机体内的重要小分子进行脱氢反应，生成与生物酶相同的反应产物。本专利技术所述二维纳米材料可用于替代昂贵的脱氢酶，可应用于生物医药领域，极大程度上降低成本，并且可以用于一些极端环境中，甚至是工业合成的反应中，替代某些关键步骤。附图说明图1为二维纳米材料SnSe(终浓度200μg/mL)在乳酸为底物的前提下可催化MTT、MTS、商品化的乳酸脱氢酶检测试剂盒(sigma)发生显色反应，TiO2纳米粒为阴性对照，商品化乳酸脱氢酶(LDH,sigma)为阳性对照；CAS：显色底物；图2为二维纳米材料SnSe使乳酸脱氢酶检测试剂盒发生显色反应，该反应具有浓度依赖性，随着纳米酶浓度的增加，显色反应增强，LDH(200mU/mL)为阳性对照；图3为以乳酸为底物时SnSe催化产物的三重四级杆液质联用鉴定，乳酸脱氢酶(LDH)为对照，以丙酮酸标品的出峰时间(1.53min)为对照，二级质谱鉴定产物分子量(PA-H)为87，与丙酮酸相符；图4为二维纳米材料SnSe(200μg/mL)与乳酸脱氢酶(LDH，200mU/mL)的重复利用性比较；图5为SnSe二维纳米材料催化乳酸的表观酶促反应动力学拟合米氏方程曲线，乳酸脱氢酶(LDH)为对照；图6为SnSe二维纳米材料的催化效率随温度，离子强度，有机溶剂浓度和pH的变化，乳酸脱氢酶(LDH)为对照组；图7为23种纳米材料，六种脱氢酶(乳酸脱氢酶LDH，苹果酸脱氢酶MDH，乙醇脱氢酶ADH，乙醛脱氢酶ALDH，甘油-3磷酸脱氢酶GPDH，葡萄糖-6磷酸脱氢酶G6PDH)，一种过氧化氢酶的酶活比较；商品化酶均购买自sigma，统一浓度为12.5mU/mL、25mU/mL、50mU/mL、100mU/mL；纳米材料浓度为25μg/mL，50μg/mL，100μg/mL，200μg/mL；反应时间0-60min；图8为SnSe的脱氢酶活性与商品化脱氢酶的比较，氧化钛本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种二维纳米材料作为脱氢酶的应用，其特征在于，所述的二维纳米材料为含IVB族、VB族、IVA族或VIA族元素的二维纳米材料。/n

【技术特征摘要】
1.一种二维纳米材料作为脱氢酶的应用，其特征在于，所述的二维纳米材料为含IVB族、VB族、IVA族或VIA族元素的二维纳米材料。


2.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，所述的二维纳米材料为厚度为2-1000nm的片层纳米结构。


3.根据权利要求2所述的应用，其特征在于，所述的二维纳米材料为SnSe、Ti3C2或Nb2C的二维纳米片层。


4.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，所述的应用具体是在氢受体存在的条件下，二维纳米材料催化底物进行脱氢反应。


5.根据权利要求4所述的应用，其特征在于，所述的氢受体包括蛋白脱氢酶的辅酶。


6.根据权利要求4所述的应用，其特征在于，所述的底物是具有如下结构通式的化合物中的一种或一种以上组合：



其中，R1、R2独立选自H、醇、酸、醚、醛、磷酯或CH3(CH2)n直链烷烃基团；其中n为0～5中的整数，H为氕、氘或氚，R1、R2不能同...

【专利技术属性】
技术研发人员：李瑞宾，高梦，刘曦，潘艳霞，徐术娟，
申请(专利权)人：苏州大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32