近日，湖南大学白玉罡教授课题组首次报道了一种以富勒烯为内核的分子纯杂臂球形核酸（SNA）的合成策略。文章详细叙述了具有不同结构的分子纯杂臂 SNA 的合成策略，并证明了通过功能化这些 SNA 可以得到一种能够作为胞内非天然催化剂的纳米材料。这种具有高度生物兼容性的 SNA 大分子催化剂骨架能够有效提升其内部的催化中心的稳定性与活性，能在纳摩尔水平的铜浓度条件下有效地介导细胞内甚至活斑马鱼体内的炔-叠氮化物的环加成（CuAAC）反应。该成果以“Molecularly pure miktoarm spherical nucleic acids: preparation and usage as a scaffold for abiotic intracellular catalysis”为题发表在英国皇家化学会期刊 Chemical Science 上，并入选为期刊封面文章（Back cover）。

近年来，胞内催化领域的研究受到广泛关注，因其能够提供一种简便有效的方法来直接控制或调整胞内生化过程。为了进一步提高胞内催化的实际应用价值，胞内催化剂的“可催化”反应范围需要进一步扩大，从而实现更多的非天然转化。然而，大多数金属配合物催化剂在生物环境中不可避免地与 GSH、氨基酸等小分子进行作用，出现催化剂中毒现象，导致催化活性降低甚至完全失活。针对这一问题，单链纳米颗粒（SCNPs）、致密壳纳米颗粒（DSNPs）、蛋白质和无机纳米材料等催化剂“骨架”被逐渐引入到胞内催化之中来保护催化中心，并成功地将更多催化类型引入了细胞。但伴随而来的问题，如细胞毒性大、细胞摄取率低、催化中心-支架组装困难以及对催化活性有限等仍然在阻碍各种胞内催化剂在生物环境中实现更有意义的应用。

球形核酸（SNA）是一种具有密集的定向寡核苷酸外壳的纳米材料，其内部可为多种内核，包括各种无机纳米颗粒、脂质体、大分子、蛋白质和金属-有机框架等。SNA 具有独特的性质，例如高生物相容性、对互补序列更强的结合力、更高的细胞摄取效率、抗核酸酶降解能力和极低的机体免疫反应等。这些特性使 SNAs 在多个领域（材料科学、化学、生物学等）得到广泛的应用，例如为体外生物大分子探针、自传递型基因调节材料、化疗药物和免疫系统调节剂等，但并未在胞内催化领域得到过应用。最近报道的分子纯 SNA 的制备策略为 SNA 的结构和功能提供了更高的可调控性，又考虑到 SNA 具有负电荷外壳，可以同时拥有高进胞能力和高生物相容性，因此很有望被用作胞内非天然催化剂的骨架材料。基于此，白玉罡教授课题组报告了一类单分散分子纯杂臂 SNA 催化剂的制备策略，展示了 SNA 作为新型胞内催化剂骨架材料的巨大潜力。

1. 分子纯多齿 SNA 的设计、合成和表征

C₆₀ 和丙二酸酯间的高效偶联提供了一种相对树枝状核或纳米粒子核更可控、更方便的制备 SNA 核的方法。C₆₀ 和不对称丙二酸酯的反应可以得到一系列具有高对称性的杂臂富勒烯核支架，该支架可以与不同的功能基元或单链核苷酸耦合得到功能 SNA，从而简化了分子纯杂臂 SNA 的制备（图 1）。各个合成的富勒烯核以及分子纯 SNA 可以通过 NMR, MALDI-TOF MS, HPLC 等进行表征。

2. 分子纯杂臂 SNA 的毒性、细胞摄取效率和抗核酸酶的验证

毒性实验：SNA 支架以其出色的生物相容性而闻名。即使在远高于其实际使用时的浓度的情况下，富勒烯基分子纯 SNA 催化剂的细胞毒性也很小——这种新的、基于 SNA 的胞内 CuAAC 催化剂（图 2a）是目前报道中对宿主细胞影响最小的非天然催化剂，4 mM 下没有观察到细胞毒性。催化剂在两种实验浓度下对斑马鱼的毒性也很小，证明分子纯杂臂 SNA 催化剂的生物兼容性良好。

细胞摄取效率实验：与游离 DNA 链相比，后功能化的分子纯 SNA_19M/TTA 和链状的 TTA-DNA 均显示出更高的细胞摄取效率（图 2d）。过往的研究表明，与游离线性 DNA 相比，六臂 SNA 在细胞摄取效率方面的改善非常有限，但 TTA 功能化后的分子纯六臂 SNA_19M/TTA¬ 具有很好的细胞摄取效率。因而，要改善分子纯 SNA 的摄取效率，不仅可以通过提高 SNA 表面核苷酸密度的手段实现，也可以通过将内核与若干疏水小分子连接，通过位阻效应令核苷酸更好地“竖立”在内核上实现。

核酸酶消化试验：根据实验可知，链状 TTA-DNA 在酶消化实验中几乎不具备任何抗内切酶能力，而球形的分子纯杂臂 SNA 具有最强的抗酶切能力（图 2e），这使得该类 SNA 催化剂可以在细胞内稳定存在一段时间以完成催化过程。

3. 分子纯杂臂 SNA 催化剂的体内外催化性能验证

作者对分子纯杂臂 SNA 催化剂 SNA_19M/TTA 在 PBS 和含有血清的 DMEM 溶液中的催化能力进行了测试。结果表明，在 PBS 中，商业催化剂 TBTA 显示出最佳性能，其次是 SNA 催化剂（图 3b）。这是因为附着 DNA 链可能会带来空间位阻，但这种空间效应也保护了催化中心。在更复杂的环境（含 10% 胎牛血清的 DMEM 溶液）中进行的 CuAAC 反应时，作者观察到之前的趋势发生了逆转，分子纯 SNA 成为了表现最好的催化剂，而 TBTA 几乎完全被介质淬灭（图 3c），这是因为氨基酸和蛋白质都可以同 Cu(I)发生络合作用并使催化剂失活。在含有 10% FBS 的 DMEM 中，分子纯 SNA 催化剂（1.7 μM SNA，含有 Cu(I) 10 μM）介导的 CuAAC 在前 30 分钟内的二级速率常数约为 9.1 M·s^-1。对于在复杂介质中进行的、催化剂浓度如此之低的反应来说，该催化效率是很令人满意的。

受益于其优异的生物相容性和催化活性，Cu-SNA_19M/TTA 系统可以很好地在细胞内催化 CuAAC 反应，产物可以通过共聚焦显微镜直接观察到（图 3d）。通过注射将 Cu-SNA_19M/TTA 系统引入到斑马鱼体内后，再在斑马鱼体内引入 CuAAC 底物即可直接在鱼体内实现 CuAAC 合成，具有荧光的产物香豆素可以随粪便排出并被检测到（图 3e）。这些结果表明 SNA 可以作为生命系统中非生物金属催化的可靠支架，只要将合适的催化中心放入 SNA 支架中就有望在胞内取得对应的催化效果。

本文介绍了一类分子纯杂臂富勒烯 SNA 的合成策略，并利用该种材料构建了一种新型的 CuAAC 纳米 SNA 催化剂用于胞内催化反应。SNA 骨架可以为内部的金属催化中心提供了“干净”的催化环境，并可以在保证对宿主的影响很小的前提下将催化中心携带入胞。当然，除了 CuAAC 反应，还有许多其他有用的非天然反应需要在不同的配位结构与金属种类，本文提供的 SNA 结构只是作为一个模型体系来展示一种利用 SNA 作为模块化方式构建纳米胞内催化剂的平台的可能性。另一方面，DNA 臂提供了一种“可编程”的方法来控制 SNA 催化剂的生物相容性、靶向性、识别能力，和可以通过“编程”方法按需组装成各种功能性纳米结构的潜力。这种内、外部的可编程性可以有机结合，从而有望创造出更多高效、智能的胞内催化体系。

湖南大学化学化工学院、化学生物学与纳米医学研究所博士生张博涵为本文第一作者，湖南大学化学化工学院白玉罡教授和郑州大学/美国东北大学张可教授为本文共同的通讯作者。本研究工作得到了国家自然科学基金面上项目（21877033）和重大研究计划项目（92163127）的资金资助，在此一并致谢。

• Molecularly Pure Miktoarm Spherical Nucleic Acids: Preparation and Usage as a Scaffold for Abiotic Intracellular Catalysis
  Bohan Zhang, Silei Bai, Xiangyu Chao, Tong Wu, Zhiyong Chen, Zehong Cheng, Yue Xiao, Ke Zhang*（张可，郑州大学/美国东北大学） and Yugang Bai*（白玉罡，湖南大学）
  Chem. Sci., 2021,12, 15843-15848
  http://doi.org/10.1039/D1SC04833C

  

张博涵

湖南大学

湖南大学化学化工学院博士研究生。目前的研究方向：分子纯球形核酸及球形核酸新材料的合成及应用。该作者即将加盟河南大学天然药物与免疫工程省重点实验室，继续球形核酸类新材料的研发工作。河南省天然药物与免疫工程重点实验室 2007 年成立，现有科研用房 3000 平方米，仪器设备总值 3000 余万元。在河南省科技厅和河南大学的大力支持下，聚焦于国家和河南省生物医药战略需求及药物化学生物学等新兴学科国际前沿，主要研究方向为手性小分子药物合成与工艺，基于天然小分子的免疫调节药物设计、合成与筛选，天然分子改性纳米生物材料研究与应用等，为肿瘤等重大疾病诊断和防治提供人才储备和技术支撑。

白玉罡 教授

湖南大学

本文通讯作者，湖南大学化学与化工学院教授，博士生导师，2009 年在南京大学获取化学学士学位，后赴美国伊利诺伊大学（香槟校区）化学系，师从国际著名有机化学家、超分子化学专家 Steven C. Zimmerman 教授，于 2015 年获得化学博士学位。在美国伊利诺伊大学（香槟校区）化学系以博士后身份工作两年后，于 2017 年 8 月归国加盟湖南大学化学生物学与纳米医学研究所、化学生物传感与计量国家重点实验室，任湖南大学化学系教授。近年来，白玉罡教授主要致力于功能性生物高分子纳米材料的合成与应用，主要研究工作包括：（1）建立在合成或天然高分子基础上的胞内催化体系的建立与应用研究；（2）新型抗菌大分子的研发与应用研究；（3）高分子合成方法学。课题组的研究理念是“复杂体系的问题需要复杂体系来解决”，而高分子材料正是构筑复杂体系的必经之路。

张可 教授

美国西北大学/郑州大学

本文的共同通讯作者，美国西北大学副教授，郑州大学教授，博士生导师。张可教授于 2009 年在美国华盛顿大学路易斯分校获得博士学位，师从 Karen Wooley 教授。博士毕业后加入美国西北大学 Chad Mirkin 教授课题组从事博士后研究，2012 年加入美国东北大学，现任美国东北大学化学与化学生物学学院副教授。张可教授课题组长期致力于发展新型功能高分子材料及纳米生物材料，近几年来在 JACS, Angewandte Chemie, Chem, PNAS 等国际高水平期刊发表论文 40 余篇，并获得美国国家自然科学基金 CAREER 奖和美国化学会 PMSE 杰出青年研究员奖等。