第一作者：Menglu Jiao，XiaoYu Mu，Si Sun

通讯作者：Xiao-Dong Zhang，Ruiping Zhang

通讯单位：天津大学

研究内容：

在原子和分子水平上对辐射生物过程的调控与生物催化过程、氧化还原生物学和多系统炎症密切相关。因此，有必要明确生物催化过程与辐射生物学的确切关系，进一步建立相应的内在机制。在这项工作中，我们采用了一系列单原子取代金簇，它们显示出不同的生物催化活性和对辐射诱导的氧化还原调制的选择性。单原子 Er 取代的 Au 簇显示出最高的抗氧化活性，以及对活性氧和氮 (RONS) 的清除率，例如过氧亚硝酸盐(ONOO^-)、一氧化氮(^.NO) 和羟基自由基(^.OH)。同时，单原子 Cu 或 Pt 取代的 Au 簇表现出优异的类过氧化氢酶(CAT-like) 活性。此外，单原子 Pt 取代的 Au 簇还显示出将H₂O分子氧化为OH^-的最佳能力。生物学实验表明，Er取代的Au簇具有良好的放射还原能力，可使受照射小鼠的存活率从40%提高到90%。相反，被Cu或Pt取代的Au簇具有促进放射性氧化的作用，使小鼠的存活率降低至30%和0%。这些结果表明抗氧化能力、RONS清除能力和还原性与放射还原密切相关，而CAT样活性和氧化性促进放射氧化。

示意图1: 利用原子工程选择性地调节金团簇催化，从而影响生物催化过程的概念。

要点一：

本文采用了一系列具有不同催化选择性和活性的原子工程金属原子取代金团簇，对氧化还原损伤进行了双边调节。被Er、Cu和Pt取代的Au团簇具有超高的抗氧化活性，分别比天然Trolox高49倍、10倍和27倍。Er取代的Au团簇具有优越的RONS清除活性、H₂O₂和OH^-的还原能力。

要点二：

体外实验表明，Au₂₄Er₁可以保护细胞DNA，清除RONS产生的辐射，提高细胞存活率。体内实验表明，Au₂₄Er₁可以提高肝和肺中BMNC含量和SOD水平，降低有害物质MDA，提高辐照小鼠的存活率。相反，掺杂Cu或Pt的Au团簇具有更好的类CAT样活性、HER和ORR能力，可以促进RONS的生成。体外实验结果表明，Au₂₄Cu₁和Au₂₄Pt₁加剧了对细胞DNA的氧化还原损伤，加速了细胞凋亡。体内实验同样表明，Au₂₄Cu₁和Au₂₄Pt₁可以促进电离辐射的损伤，降低其存活率。最重要的是，这项工作更清楚地说明了不同的催化机制对辐射诱导的氧化还原损伤和恢复的影响，表明抗氧化特性和自由基清除特性有利于辐射还原，而CAT样特性、HER和ORR能力将促进基于辐射的氧化还原损伤。

图1：金团簇的结构表征。a，Au₂₄M₁(M = Au, Er, Cu and Pt)的结构图。b，Au₂₅(SG)₁₈的TEM 图。c，利用Au₂₄M₁的紫外可见光谱图像，透射电镜得到Au₂₅(SG)₁₈的尺寸。e，Au₂₅在PBS中一天和七天的紫外可见光谱。f，Au₂₅在BSA中溶解数天的荧光光谱。Au₂₅(SG)₁₈的X射线光电子能谱g，Au 4f，h，S 2p及i，C 1 s。

图2：金团簇的总抗氧化能力。a，ABTS鉴定的反应机理示意图。b，ABTS^.+ (0-0.1mg/mL)的浓度依赖性的研究。ABTS^.+在c，Au₂₄Er₁，d，Au₂₄Cu₁及e，Au₂₄Pt₁存在下的时间依赖性研究。对Au₂₄Er₁、Au₂₄Pt₁、Au₂₄Cu₁与天然抗氧化剂的f，抗氧化能力和g，反应速率的比较表明，Er单原子取代后抗氧化性能显著提高。与天然抗氧化剂相比，Au₂₄Er₁、Au₂₄Cu₁和Au₂₄Pt₁的活性分别比Trolox高49倍、10倍和27倍。时间动力学研究表明，Au₂₄Er₁、Au₂₄Cu₁和Au₂₄Pt₁对底物的反应速率分别为36µM/min、2.5µM /min和22µM /min，高于天然抗氧化剂Trolox。

图3:  金团簇清除自由基的能力。a，金簇清除ONOO^-、^.NO和^.OH自由基的示意图。Au₂₄Er₁对RONS的清除活性，包括b，c，ONOO^-，d，e，^.NO和f，g，^.OH。Au₂₄Er₁对ONOO^-,^.NO和^.OH的清除率分别为100%、92%和55.62%。

图4：Au团簇的类CTA的性质。a，Au团簇与过氧化氢反应形成金纳米颗粒和O₂的示意图。b，Au团簇与过氧化氢反应19小时的图片。c，Au团簇与过氧化氢反应的紫外-可见吸收光谱随时间的变化。d，掺杂不同金属原子的Au团簇的紫外-可见吸收光谱与过氧化氢反应25h后，Au纳米粒子有明显的SPR峰(525nm)。e，过氧化氢浓度为0.6mM时荧光强度的定量统计图。f，用InGaAs相机在1000nm长通滤光片下拍摄了Au团簇和过氧化氢(0.05mM-0.8mM)反应溶液的NIR-II荧光图像，曝光时间为50ms，25mW/cm³。

图5：金团簇的电化学性质。a，金团簇的电催化反应途径示意图。用Au₂₄M₁(M=Er、Cu和Pt)修饰GC电极检测b、f、H₂O₂还原、c、g、ORR、d、h、OER及e、HER，包括CVs和定量图。

图6：金团簇的体外实验。a，在4Gyγ射线照射后，对正常对照组、照射组、集群干预组的a，彗星荧光图像及对应的b，尾部DNA含量进行分析。比例尺：100µm。c，采用FITC-AnnexinV和PI染色检测细胞凋亡。d，通过细胞凋亡试验获得的早期凋亡和晚期凋亡的统计学图。e，用红色CMXRos和AnnexinV-FITC染色的线粒体膜电位荧光（红色荧光标记物是维持线粒体膜电位的活细胞，而绿色荧光标记物是发生凋亡或坏死的细胞）。比例尺：100µm。f，由线粒体膜电位荧光图得到的红绿荧光比值的统计图。g，荧光图像和h，细胞内ROS水平对应的统计直方图。比例尺：50µm。(通过ANOVA分析，与对照组相比^#P<0.05,^##P<0.01,以及^###P<0.001，与照射组相比*P<0.05 ，**P<0.01，***P<0.001)。 

图7：金团簇的体内实验。a，金属原子取代金团簇调节生物氧化还原的机理示意图。b，辐射损伤后30天内小鼠的存活率和c，小鼠的体重。d，辐射损伤后第15天的DNA水平和e，第30天的BMNC水平。f，辐射损伤后第30天，小鼠肝、肺中MDA和g，SOD水平。数据是平均的±SEM。(通过ANOVA分析，与对照组相比#P<0.05，与照射组相比*P<0.05 ，**P<0.01)。

参考文献

Menglu Jiao,¹ Xiaoyu Mu,¹ Si Sun,¹ Haiyu Yang,Lufei Ouyang,Shaofang Zhang,Jiao Guo,Jian Meng,Ya Liu,Huizhen Ma,Hao Wang,Jiahui Pei,Ruoli Zhao,Tianyu Liu,Wei Long,Xiao-Dong Zhang,*Ruiping Zhang*. Establishing bilateral modulation of radiation induced redox damage via biocatalytic single atom engineering at Au clusters. Chemical Engineering Journal. 2022. doi.org/10.1016/j.cej.2022.136793