食源性致病菌引起的食品污染和食品源性疾病给食品工业带来严峻挑战。在处于后抗生素时代的当下,传统化学抗菌制剂不仅表现出持续的生态危害性和环境与食品链污染问题,而且可能会大大增加微生物耐药性风险,从而失去对微生物安全的有效控制。纳米化学的快速发展为更加高效安全绿色可持续的抗杀菌技术带来希望。受到天然酶抗菌活性的启发,具有类酶性质的“纳米酶”可通过持续的仿生催化反应有效灭活耐药细菌,有望成为一类具有持久和更安全抑菌功效的候选抗/杀菌剂。框架化学是一种多功能工具箱,可用于仿生设计金属-有机框架(MOFs)纳米酶,广泛用于化学传感、生物医学以及食品安全等领域。本文以框架化学为设计工具,采用对MOFs的理性设计、衍生化和生物杂化等策略,以提高纳米酶抗菌剂的仿生催化性、靶向抗菌性、生物安全性等性质为出发点,定向构筑了数种靶向食源性致病菌微环境的智能响应MOFs衍生纳米酶,为构建用于微生物食品安全控制的精准纳米抗菌体系提供参考。主要研究内容如下:(1)通过提出框架化学衍生“准MOF”(Q-MOF)方案,对MOFs衍生POD纳米酶的反应性和功能适应性进行理性设计,构建了基于光调控p H响应型纳米酶反应的食源性致病菌靶向防控新机制。结果表明,将MOF晶体工程与配体受控脱羧策略相结合,我们成功合成了具有分级零维/二维(0D/2D)类异质结界面的Q-MOF_(Ce0.5)纳米片,该界面使得节点衍生的孤立Ce-O-Cu位点合理布局于2D脱羧MOF骨架上,从而容纳了氧空位耦合多价氧化还原循环和光敏能带配置;借助结构优势,Q-MOF_(Ce0.5)表现出显著优于对应MOFs或金属氧化物衍生物的过氧化物酶(POD)模拟活性和可见光响应活性,使其能够在弱酸性环境下通过细菌表面粘附作用和光调控类POD反应产生的大量羟基(·OH)自由基和单线态氧(~1O_2)诱导细菌细胞膜破坏和细菌程序性死亡,对大肠杆菌O157:H7(E.coli)和金黄色葡萄球菌(S.aureus)的抑菌率分别达到99.74?%和99.35%。(2)通过借助框架化学配体工程合成策略,探究Ce-UiO-66同构体MOFs的类腺苷三磷酸双磷酸酶(apyrase)和类氧化酶(OXD双重拟酶性质,发掘其纳米酶性质的双活性级联效应与机理及其构效关系,构建了基于三磷酸腺苷(ATP)触发型自级联纳米酶反应的食源性致病菌生物被膜靶向防控新机制。结果表明,所合成的一系列Ce-UiO-66同构体MOFs(Ce-UiO-66-X,X=BDC,BDC-CH_3,BDC-OH,BDC-NH_2,BDC-NO_2,ADC,Fum)呈现出配体依赖性拟酶活性,并且与其类apyrase反应相关的ATP/ADP/AMP/Pi反应物可以有效加速Ce-UiO-66-X的类OXD反应,且随着ATP水解进程进一步加剧;Ce-UiO-66-X表现出特殊的水解酶-氧化还原酶模拟活性的自级联反应机制,可同步消耗ATP分子和强化超氧根(·O_2~-)自由基的生成。进一步,选取Ce-BDC-NO_2、Ce-BDC和Ce-BDC-NH_2作为典型同构体,以耐甲氧西林金黄色葡萄球菌(MRSA)为模型菌,我们揭示了Ce-UiO-66-selleck GSK2118436NO_2纳米酶消耗ATP协同ROS产生的作用机制可有效靶向和干扰MRSA生物被膜代谢微环境,显著抑制MRSA生物被膜在食品接触表面的黏附和形成过程,并将被膜内MRSA的细菌活度降低至3.64%。(3)通过结合框架化学衍生单原子催化剂方法和蛋白工程策略,构建基于葡萄糖激活型生物级联单原子纳米酶反应的食源性致病菌生物被膜靶向防控新机制。以Cu-MOFs衍生制备单原子纳米酶(SAzyme),并采用葡萄糖氧化酶(GOX)以及刀豆蛋白A(Con A)对其功能化修饰,创制蛋白导向的生物级联单原子纳米酶(Bio SAzyme)。结果表明,所制备的SAzyme表现出优异的类辣根过氧化物酶(HRP)、类谷胱甘肽过氧化物酶(GPx)和类谷胱甘肽氧化酶(GSHOx)活性;基于此,BiCompound 3价格o SAzyme被发现可催化葡萄糖生成H_2O_2和葡萄糖酸,调节反应p H微环境并有效触发其类HRP/GPx/GSHOx活性,从而消耗葡萄糖和谷胱甘肽(GSH)分子并生成大量·OH自由基。在该级联反应机制下,以E.coli和MRSA生物被膜为模型,我们发现Bio SAzyme不仅利用Con A对糖被化合物的生物亲合作用,还利用细菌生理相关的葡萄糖分子对级联反应的触发效effective medium approximation应,实现了对E.coli和MRSA生物被膜的主动黏附和高效灭除作用,有效抑制了生物被膜生物质的积累,并将相应的细菌存活度分别低至0.36%和1.47%。(4)通过采用框架化学生物矿化策略,构建了纤维素基拟酶喷涂包装用于仿生催化型水果保鲜研究。以羧甲基纤维素纳米纤维(CNF)和Ce-UiO-66-BDC纳米酶为活性成分,通过生物矿化方法将Ce-UiO-66原位生长到CNF上,探究所制得CNF@MOF的拟酶性质和抗菌活性。结果表明,由于生长的Ce-MOF颗粒处于无定形状态和Ce~(3+)/Ce~(4+)混合价态的存在,CNF@MOF纳米酶表现出相对于晶态Ce-UiO-66-BDC更优的类OXD和类apyrase纳米酶性质,可同时产生·O_2~-自由基并消耗ATP生物分子;以三种典型食源性致病菌为模型菌,即E.coli、S.aureus、和MRSA,评价了CNF@MOF纳米酶的抗菌效果,发现CNF@MOF分别可抑制90.46%、86.91%和82.9%的细菌生长,并通过细胞生理学实验揭示了CNF@MOF的生物相容性;将CNF@MOF纳米酶胶体溶液作为食品喷涂活性包装的喷涂剂,以香蕉和芒果为模型水果考察这种仿生喷涂层对食品腐败的保护作用,发现CNF@MOF涂层可明显改善包覆香蕉和芒果的外观、失重率和硬度等质量参数,开创了使用生物相容性纳米酶开发活性包装材料和实践的先例。(5)通过建立体外细胞生理学评价模型和体内小鼠活体模型,初步阐释了本论文开发的框架化学衍生纳米酶(Q-MOF、Ce-UiO-66-X以及Bio SAzyme)的生物安全性和体内抗感染活性证据。通过NIH 3T3细胞毒性实验、小鼠血液红细胞溶血性实验、小鼠伤口抗感染模型、以及小鼠生理及组织学分析,不仅揭示了Q-MOF、Ce-UiO-66-X以及Bio SAzyme的使用不会干扰动物细胞和哺乳动物的正常生理学过程,还潜在印证了上述纳米酶对复杂微生物环境的适应性,为框架化学衍生纳米酶的食品安全应用提供参考。