近日，华南理工大学孙大文院士团队在《Small》期刊发表题为“Spatiotemporally Guided Single-Atom Bionanozyme for Targeted Antibiofilm Treatment”的研究性论文。华南理工大学孙大文院士为论文唯一通讯作者，华南理工大学蒲洪彬副教授为论文共同作者，四川大学食品工程系黄伦杰副研究员为论文第一作者。
生物被膜通常与食源性致病菌污染以及由此产生的耐药性有关。与浮游细菌不同，细菌生物被膜通过将细菌聚集体嵌入细胞外聚合物（EPS） 中，形成高度异质且分隔的微环境，形成抵御抗生素和免疫细胞的坚固屏障。EPS 基质物理隔离抗菌分子，限制其通过螯合和酶促降解等过程渗透。此外，生物被膜微环境表现出化学和生理异质性，包括缺氧、营养限制、pH 分隔和谷胱甘肽 （GSH）过表达，这些都有助于细菌存活、适应和持续感染。因此，利用生物被膜独特的微环境来破坏其体内平衡是一种预防生物被膜感染的有效策略。
为此，华南理工大学孙大文院士团队采用机械化学辅助热解与合成后蛋白质工程策略，开发出一种具有生物被膜生物亲和性和级联反应性的单原子生物纳米酶（BioSAzyme），有效提高了纳米酶对抗生物被膜的时空精度和效价（图1）。
图1. 单原子生物纳米酶介导时空响应的生物被膜催化消毒机制示意图。
图2. Cu SAzyme的制备及表征。
研究发现，BioSAzyme表现出高度可及的 Cu-N4类酶活性位点，同时继承了葡萄糖氧化酶和刀豆球蛋白 A 的生物功能，可以定位生物被膜糖萼并催化内源性葡萄糖转化为 H₂O₂ 和葡萄糖酸，从而引发具有 pH 自适应性的多重级联反应，消耗葡萄糖和谷胱甘肽并产生 •OH 自由基。这种时空引导的生物纳米催化剂能够在体外和体内有效抑制大肠杆菌 O157：H7 和耐甲氧西林金黄色葡萄球菌生物被膜的形成。
图3. BioSAzyme的体外抗生被膜活性。
总体而言，这项研究为合理设计单原子纳米酶以促进生物被膜精准防治开辟了新途径。后续研究应侧重于将单原子类酶催化与蛋白质功能相结合，强调简单的合成、成本效益和应用导向的结构-功能相关性的合理预设计。
该研究得到了国家自然科学基金（3217161084）的资助，还得到了广州市农产品智能感知与质量控制重点实验室（202102100009）、广东省现代食品新型加工与智能控制国际联合研究中心（2019A050519001）和广东省农产品保鲜与物流共性技术创新团队（2023KJ145）的支持。同时，论文作者深切感谢西北农林科技大学王建龙教授团队在动物实验方面提供的重要帮助。
课题组前期相关成果：
1. Huang, L., Sun, D.-W.*, Pu, H. and Wei, Q. (2019), Development of nanozymes for food quality and safety detection: Principles and recent applications. Comprehensive Reviews in Food Science and Food Safety, 18: 1496-1513. https://doi.org/10.1111/1541-4337.12485
2. Sun, D.-W.*+, Huang, L.+, Pu, H. and Ma, J. (2021), Introducing reticular chemistry into agrochemistry. Chemical Society Reviews, 50(2): 1070-1110. https://doi.org/10.1039/C9CS00829B
3. Huang L. and Sun D.-W.*, Nanozymes in food science and technology, in S. Gunasekaran (ed), Nanozymes, Chapter 15, CRC Press / Taylor & Francis, Boca Raton, Florida, USA (2021). https://doi.org/10.1201/9781003109228-15
4. Huang, L., Sun, D. W.*, & Pu, H. (2022), Photosensitized peroxidase mimicry at the hierarchical 0D/2D heterojunction‐like quasi metal‐organic framework interface for boosting biocatalytic disinfection. Small, 18(20): 2200178. https://doi.org/10.1002/smll.202200178
5. Huang L., Sun D.-W.*, Pu, H., Zhang C., Zhang D. (2023), Nanocellulose-based polymeric nanozyme as bioinspired spray coating for fruit preservation, Food Hydrocolloids,135: 108138. https://doi.org/10.1016/j.foodhyd.2022.108138
6. Huang, L., Pu, H., & Sun, D.-W*. (2023), Isoreticular chemistry guided enzymodynamic domino effect for biofilm microenvironment-responsive disinfection. Chemical Engineering Journal, 471: 144206. https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.144206
作者信息：
孙大文（Da-Wen Sun），男，广东省潮州人，欧洲历史上唯一的华侨华人 “六院院士” ，中国致公党第十四/十五届中央委员，中国侨联特聘专家，国务院侨务办公室专家咨询委员会委员，全国政协特邀海外列席代表和海外列席组召集人（2012）。欧洲科学院（欧洲人文和自然科学院）（Academia Europaea）院士，爱尔兰皇家科学院（Royal Irish Academy）院士，波兰科学院（Polska Akademia Nauk）外籍院士，国际食品科学院（IAFoST）院士，国际农业与生物系统工程科学院（iAABE）院士，国际制冷科学院院士。施普林格国际著名期刊《食品与生物加工技术》（Food and Bioprocess Technology）创刊者和主编（2008年创刊时即被SCI收录，第二年进入SCI一区， 现影响因子=5.8）、泰勒弗朗西斯集团《现代食品工程》 (Contemporary Food Engineering) 系列丛书创始主编、国际农业工程委员会（CIGR）主席（2013-2014）和荣誉主席、国际农业与生物系统工程科学院（iAABE）创院院长。现任华南理工大学教授，博导，现代食品工程研究中心主任；广东省农产品智能冷链物流装备工程实验室主任、广东省冷链食品智能感知与过程控制工程技术研究中心主任、广东省现代食品工程国际科技合作基地主任、广东省食品智能质控与过程技术装备国际暨港澳台合作创新平台主任、广东省现代农业（农产品无损检测及精深加工）产业技术研发中心主任、广东省农产品品质智能感知与精准控制现代农业科技创新中心主任、广东省农产品保鲜物流共性关键技术研发创新团队首席科学家、广州市农产品智能感知与品质控制重点实验室主任；爱尔兰国立都柏林大学（UCD）食品和生物系统工程终身教授。
荣获国际农业与生物系统工程委员会（CIGR）杰出奖，英国皇家机械工程师学会“食品工程师年度人物”，凤凰卫视“影响世界华人大奖”，国际食品保护协会“冷冻食品基金会冷冻研究奖”，国际工程与食品协会终身成就奖，“CIGR荣誉主席”等多项国际大奖， 2015年至2023年连续九年荣获科睿唯安全球“高被引科学家”称号,并位居美国斯坦福大学“全球前2％科学家”排名中国食品科学与工程入选的三百多位学者名单的第一位。
在世界著名杂志和国际会议上共发表了1000多篇论文，其中，以通讯作者发表并被SCI收录的期刊论文超过700篇，出版专著17部，Web of Science统计的学术h指数为119，SCOPUS统计的学术h指数为129，Google Scholar 统计的学术h指数为152。特别是在高光谱成像、计算机视觉、真空冷却、超声波辅助冷冻和CFD模拟等方面的论文已经成为其他研究者的经典参考文献。71篇论文入选ESI农学“高被引论文”，全球排名第一位（2020.01）。2015年至2023年连续九年荣获科睿唯安全球“高被引科学家”称号，并位居美国斯坦福大学“全球前2％科学家”排名中国食品科学与工程入选的三百多位学者名单的第一位。
2011年底起回到华南理工大学工作以来，迄今为止（2023年07月）在Web of Science网站上可以检索到的文章中，共有342篇是以华南理工大学食品科学与工程学院作为第一作者单位的论文，其中高被引论文50篇，JCR一区论文285篇，影响因子大于6的131篇。高被引论文数占华南理工大学全校和食品科学与工程学院的比例分别为11%和70%。其中2篇入选中国百篇最具影响国际学术论文，为华南理工大学唯一入选的两篇论文。
主持国家“十二五”科技支撑计划项目，国家“十三五”重点研发专项，国家国际科技合作专项，国家自然科学基金，东西部合作重大项目，广东省科技厅，农业农村厅，教育厅等科技计划项目，广州市科技计划项目，企业合作项目等四十多项。授权中国发明专利77件，美英日等发明专利10件，申请国际PCT专利9项。2019年至2023年共为华南理工大学培养科睿唯安全球“高被引科学家”9人次。荣获2014年度广东省科学技术奖一等奖（排名第二），2016年度教育部科技进步奖二等奖（排名第一），2016年度广东省科学技术奖三等奖（排名第一）, 2018年度中国轻工业联合会科学技术进步奖一等奖（排名第二），2018年度广东省科技进步奖一等奖（排名第一），2020年度安徽省科技进步奖二等奖（排名第三）。
更多信息请访问网址：http://www.ucd.ie/sun/; http://www2.scut.edu.cn/acfe/
蒲洪彬，博士，华南理工大学食品科学与工程学院副教授，硕士/博士生导师，2019-2022年科睿唯安农业科学领域高被引学者。主要从事食品安全与控制和食品无损检测方法研究方向的教学与科研。主持参与国家自然科学基金、国家重点研发计划课题、国家科技合作专项、国家科技支撑计划项目及省市科技计划项目15项。先后在Chemical Society Reviews、Small、Chemical Engineering Journal、Journal of Hazardous Materials、Food Chemistry等期刊发表SCI论文100余篇，授权专利15件。获省部级科技奖励3次。
黄伦杰，博士，四川大学食品工程系副研究员。主研食品纳米技术。累计发表SCI论文多篇，总被引次数超3700次，H-index指数为38（Scopus数据库，截至2024年10月）。获授权专利6件。入选2023年度博士后创新人才支持计划。入选Elsevier-斯坦福大学2023/2024年度“全球前2%顶尖科学家榜单”。现为中国食品科学技术学会、中国生物物理学会（纳米酶分会）、中国化学会会员。
