1. 研究背景

 生物被膜通常与人类细菌感染以及由此产生的抗生素耐药性有关。生物被膜不仅通过形成高度异质且分隔的微环境，建立抵御抗生素和免疫细胞的强大屏障，其微环境还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。这些都有助于生物被膜内细菌的存活、适应和持续感染。因此，破坏生物被膜微环境平衡是预防生物被膜感染的重要研究方向。近来，纳米酶催化疗法在治疗细菌感染方面的研究发展迅猛，尤其是，具有明确构效关系和高活性的单原子纳米酶（SAzyme）已显示出提高生物被膜治疗精度和疗效的潜力。但是，如何合理设计单原子纳米酶以主动适应和破坏生物被膜微环境仍不明确。已有研究表明，葡萄糖氧化酶（GOX）修饰可望使得纳米酶在生理条件下触发对生物被膜响应的级联治疗反应，而凝集素等生物亲和分子嫁接到纳米抗菌剂表面有助于克服生物被膜的胞外聚合物基质造成的空间屏障效应。因此，合理的蛋白工程或将有助于时空引导单原子生物纳米酶靶向生物被膜微环境以促进生物被膜感染治疗。

2. 研究内容

 近日，华南理工大学食品科学与工程学院孙大文院士团队在Small期刊在线发表题为“Spatiotemporally Guided Single-Atom Bionanozyme for Targeted Antibiofilm Treatment”的研究论文。该研究采用机械化学辅助热解与合成后蛋白质工程策略制得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），其可有效定位生物被膜糖萼结构并催化内源性葡萄糖引发具有 pH 自适应性的多重级联反应，以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可在体外和体内有效抑制大肠杆菌 O157: H7 （E. coli.）和耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）生物被膜的生长，从而提高了基于单原子纳米酶的抗生物被膜疗法的时空精度和功效，在靶向消除感染性生物被膜方面显示出巨大潜力（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。

 首先，该研究采用绿色简单的机械化学方法，以对苯二甲酸（H2BDC）、均苯三甲酸 （H3BTC）和 1, 2, 4, 5-苯四甲酸（H4BTEC）为配体，双氰胺（DCD）作为 铜基金属-有机框架（Cu-MOF）中的客体分子，制备了三种Cu-MOF@DCD二维复合物。经过热解和酸洗后，Cu-MOFs@DCD 前驱体转化为所需的 Cu SAzymes。经电镜（SEM/HAADF-STEM）、粉末X射线衍射（PXRD）、X射线光电子能谱（XPS），以及X射线吸收精细结构光谱（XAFS）等表征技术，可以证实所制备的材料为单原子纳米材料，并呈现Cu-N₄配位结构（图2和图3）。

图2. Cu SAzyme的制备及表征。

图3. Cu SAzyme的单原子结构表征。

 随后，研究了Cu SAzyme的多重类酶活性，证实它们均可发挥类辣根过氧化物酶活性（HRP-like）、类谷胱甘肽过氧化物酶活性（GPx-like）及类谷胱甘肽氧化酶活性（GSHOx-like），从而筛选出综合活性较高的Cu SAzyme-BDC纳米酶。Cu SAzyme-BDC的类HRP活性优于常见的Cu基材料及天然HRP，还显著高于一些已报道的Cu-MOF纳米酶和单原子纳米酶（图4）。

图4. Cu SAzyme的类酶活性及机制。

 进一步，为改进现有基于单原子纳米酶的靶向抗生物被膜疗法，该研究通过整合SAzyme的酶样特性、GOX的代谢靶向性和凝集素刀豆蛋白A（ConA）的糖萼生物亲和性，建立了具有时空精度的蛋白质导向的单原子生物纳米催化纳米平台（图5）。

图5. BioSAzyme的构建及级联反应活性。

 接下来，以革兰氏阴性病原菌E. coli O157:H7和革兰氏阳性耐药菌株MRSA为模型菌株，建立体外生物被膜模型（图6）。结果证实，BioSAzyme 不仅通过特定的凝集素-糖萼相互作用识别生物被膜，而且还响应性地催化内源性葡萄糖和 GSH 的消耗，产生大量的 ROS，从而促进大肠杆菌和 MRSA 生物被膜的时空精确根除。

图6. BioSAzyme的体外抗生被膜活性。

 最后，以小鼠新鲜红细胞和NIH 3T3细胞为模型细胞，分别评价BioSAzyme的溶血和细胞毒性，同时建立小鼠体内模型，评估BioSAzyme对小鼠表皮伤口MRSA生物被膜感染的疗效（图7）。结果表明，BioSAzyme能介导自适应级联反应，在不干扰小鼠生理状态的情况下有效对抗伤口感染，表明其对生物被膜治疗具有潜在的安全应用潜力。

图7. BioSAzyme的体内抗生被膜活性及生物相容性。

3. 研究结论

 综上所述，通过机械化学辅助热解和合成后蛋白工程，该团队构筑了一种时空引导的铜单原子生物纳米平台，促进生物被膜相关感染的精准治疗。BioSAzyme 对抗生物被膜的机制包括（i）通过粘附性二维纳米结构对生物被膜进行空间识别和穿透，（ii）继而利用内源性葡萄糖和生物被膜周围酸化的 pH 微环境在体内激活单原子生物级联反应，（iii）随后消耗生物被膜中过表达的 GSH 分子并产生杀菌性活性氧自由基以清除生物被膜。未来，纳米酶抗菌疗法应侧重于将单原子类酶催化与蛋白质功能有机结合，强调其简单的合成、成本效益和临床适用的结构-功能相关性的合理预设计。

致谢

 团队作者感谢国家自然科学基金（3217161084）的资助。该研究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，作者衷心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。

作者介绍

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。