Prussian Blue Analogue Nanoenzymes Mitigate Oxidative Stress and Boost Bio-Fermentation
- 作者
- Renwu Zhou, Peiyu Wang, Yanru Guo, Xiaofeng Dai, Shaoqing Xiao, Zhi Fang, Robert Speight, Erik W. Thompson, Patrick J. Cullen, Kostya (Ken) Ostrikov
- 杂志
- Nanoscale（2019）
- DOI
- 10.1039/C9NR04951G
- 所属领域
- 发酵工程
- 关键词
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解决的核心问题
发酵过程中活性氧（ROS）积累导致细胞氧化应激，损害细胞功能并降低酵母乙醇发酵效率，亟需高效、稳定、廉价的ROS清除剂以提升生物发酵性能。
研究策略
合成FeCo-PBA纳米酶（普鲁士蓝类似物纳米颗粒），表征其类过氧化氢酶和类超氧化物歧化酶活性；以大气压冷等离子体（APCP）预处理作为多效应激源，增强细胞对纳米颗粒的摄取并模拟氧化应激环境；将纳米酶应用于酿酒酵母乙醇发酵，考察其缓解氧化应激、促进细胞增殖和提高乙醇产量的效果。
研究路线图
核心内容
该研究针对发酵过程中活性氧积累导致酵母氧化应激、进而抑制乙醇生产效率的问题，合成了FeCo-PBA普鲁士蓝类似物纳米酶，并评估其在酿酒酵母乙醇发酵中的保护作用。作者系统表征了该纳米酶的类过氧化氢酶和类超氧化物歧化酶活性，发现20 μg/mL纳米酶可清除79.9%的H₂O₂，优于同浓度Trolox和天然过氧化氢酶；且经80°C热处理后仍保持几乎全部活性，显著优于天然酶。在细胞层面，0–100 μg/mL浓度范围内纳米酶几乎无细胞毒性，100 μg/mL时酵母增殖较对照提高10.8%。进一步利用大气压冷等离子体预处理增强细胞膜通透性并模拟氧化应激环境，发现纳米酶可完全清除等离子体诱导的胞内ROS。在乙醇发酵中，加入100 μg/mL纳米酶使乙醇产量由对照的14.93 g/L提升至27.45 g/L，提高83.86%；等离子体预处理后，50 μg/mL纳米酶条件下产量达36.84 g/L，较无纳米酶组提高104.21%，且所需纳米酶剂量显著降低。该工作证实FeCo-PBA纳米酶通过清除ROS缓解氧化应激、保护细胞并促进发酵，为纳米酶在工业发酵和活细胞氧化调控中的应用提供了新思路。
创新点
['首次系统研究了FeCo-PBA纳米酶对活细胞（酿酒酵母）的细胞毒性和生长促进作用', '证明了FeCo-PBA纳米酶在0-100 μg/mL宽浓度范围内几乎无细胞毒性，且能显著提升乙醇发酵效率', '利用大气压冷等离子体预处理增强细胞膜通透性，促进纳米酶细胞摄取，与纳米酶产生协同效应']
研究对象（3）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Saccharomyces cerevisiae AWRI 1631 | 乙醇发酵（葡萄糖转化为乙醇） | — | FeCo-PBA纳米酶 | 催化 | 具有类过氧化氢酶和类超氧化物歧化酶活性，清除ROS |
| Saccharomyces cerevisiae AWRI 1631 | 乙醇发酵 | — | Catalase（天然过氧化氢酶） | 催化 | 作为H2O2清除的对照酶 |
| Saccharomyces cerevisiae AWRI 1631 | 乙醇发酵 | — | Superoxide dismutase (SOD) | 催化 | 作为O2⁻清除的对照酶 |
关键发现
- FeCo-PBA纳米酶具有类过氧化氢酶和类超氧化物歧化酶活性：20 μg/mL纳米酶可清除79.9%的H2O2，优于100 μM Trolox（67.4%）和10 U/mL天然过氧化氢酶（65.8%）
- 10和20 μg/mL纳米酶分别清除58.3%和80.3%的O2⁻，而2 U/mL SOD清除>90%，1 mM Tempol清除约60%。纳米酶经80°C热处理1小时后仍保持几乎全部活性，而天然酶大部分失活。FeCo-PBA纳米酶对酿酒酵母无毒性，100 μg/mL时细胞增殖较对照提高10.8%。等离子体处理1分钟使细胞内ROS水平升高4倍（RFU从<4升至>16），但加入20 μg/mL以上纳米酶孵育1小时可完全消除。乙醇发酵中，对照组（无纳米酶）乙醇产量为14.93 g/L
- 加入100 μg/mL纳米酶后产量达27.45 g/L，提高83.86%。等离子体预处理后，50 μg/mL纳米酶条件下乙醇产量达36.84 g/L，较无纳米酶组提高104.21%，且仅20 μg/mL纳米酶即可达到85.25%的增幅，显著低于未处理组所需剂量。
研究结论
FeCo-PBA纳米酶通过清除ROS有效缓解氧化应激，保护酿酒酵母细胞免受等离子体和发酵过程产生的氧化损伤，显著提升乙醇产量和能量产生。该研究证实了普鲁士蓝类纳米酶在活细胞中的积极作用，为未来纳米生物技术和纳米医学中调控细胞功能提供了新途径。