顆粒在線訊：納米酶是一類蘊(yùn)含酶學(xué)特性的納米材料，能夠在生理或極端條件下催化酶的底物，具有類似于天然酶的酶促反應(yīng)動力學(xué)，并且可以作為酶的替代品用于人類健康。自從2007年首次報(bào)道以來，全球已經(jīng)有55個(gè)國家的420個(gè)研究單位陸續(xù)報(bào)道了近1200種不同納米材料的納米酶，其催化類型涵蓋了氧化還原酶、水解酶、裂合酶和異構(gòu)酶等。經(jīng)過十幾年發(fā)展，隨著對納米酶催化機(jī)制和構(gòu)-效關(guān)系的深入研究，納米酶逐漸從隨機(jī)合成演變?yōu)槔硇栽O(shè)計(jì)，特別是過氧化物納米酶，其催化活性已經(jīng)超越了天然過氧化物酶。

　　然而，對于其他催化類型的納米酶（如過氧化氫納米酶），仍然面臨著構(gòu)-效關(guān)系不明確、催化活性低的挑戰(zhàn)。為此，中國科學(xué)院生物物理研究所等研究人員在單原子納米酶仿生設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，提出了一種利用缺陷工程設(shè)計(jì)高活性過氧化氫納米酶的新策略，并對其催化機(jī)制和構(gòu)-效關(guān)系進(jìn)行了闡釋。相關(guān)研究成果于近日在線發(fā)表在Advanced Materials上。

　　受單原子催化概念的啟發(fā)，近年來一系列高活性單原子納米酶被開發(fā)出來。特別是基于鐵-氮-碳（Fe-N-C）結(jié)構(gòu)的單原子納米酶由于與金屬酶中的鐵卟啉具有相似的Fe-Nx配位結(jié)構(gòu)而廣受研究人員青睞。單原子納米酶的前期研究主要通過調(diào)節(jié)金屬活性中心及配位結(jié)構(gòu)來提高其催化活性。盡管取得了很多進(jìn)展，但少有研究關(guān)注除了金屬位點(diǎn)之外的其他結(jié)構(gòu)要素對催化活性的影響。缺陷是對納米材料的催化特性有重要影響的結(jié)構(gòu)要素。豐富的缺陷結(jié)構(gòu)能有效地增加金屬位點(diǎn)的暴露，并可能通過改變電荷和能量分布來激活位點(diǎn)的氧化還原活性。因此，納米酶的缺陷工程對于協(xié)同優(yōu)化金屬位點(diǎn)的利用效率和內(nèi)在活性以提高酶促性能和建立更精確的機(jī)理模型至關(guān)重要。

　　為了探究缺陷結(jié)構(gòu)在納米酶的酶促催化中的作用，研究人員制備了一種缺陷工程化的Fe-N-C單原子納米酶并研究了其類過氧化氫酶催化作用。研究表明，在納米酶的制備過程中，摻雜在ZIF-8結(jié)構(gòu)中的酞菁鐵可以重建框架結(jié)構(gòu)，經(jīng)高溫碳化后引入大量的層級多孔缺陷，并產(chǎn)生豐富的邊緣承載的Fe-N4位點(diǎn)。這些缺陷改變了Fe原子的電子結(jié)構(gòu)，使得電子由Fe原子向碳基體轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致Fe原子帶有更多的凈電荷、不成對電子和磁矩。與完整的原子構(gòu)型相比，缺陷邊緣承載的Fe-N4位點(diǎn)在熱力學(xué)上表現(xiàn)出更有利于催化的能量分布，從而具有更活躍的催化性能。由缺陷造成的結(jié)構(gòu)變化顯著增強(qiáng)了納米酶結(jié)合和活化H2O2的能力。即使在低鐵負(fù)載下，缺陷工程化的納米酶依舊表現(xiàn)出高的類過氧化氫酶活性，可以有效催化H2O2分解產(chǎn)生O2。尤其是，這種納米酶的催化動力學(xué)KM值優(yōu)于過氧化氫酶和大多數(shù)已報(bào)道的過氧化氫納米酶，表明其對底物H2O2具有很高的親和力，能夠更有效地結(jié)合和催化H2O2。

　　過量的活性氧基團(tuán)（ROS）的產(chǎn)生會誘導(dǎo)血管異常生長，而過度的眼底新生血管發(fā)生最終將引起嚴(yán)重的視網(wǎng)膜血管病變。鑒于缺陷工程化納米酶的高過氧化氫酶活性，研究人員評估了其對于眼底新生血管疾病的治療潛力。研究表明，這種納米酶在視網(wǎng)膜內(nèi)皮細(xì)胞中表現(xiàn)出顯著的的抗氧化作用，能有效緩解動物模型中的病理性血管功能障礙。

　　這項(xiàng)研究不僅為優(yōu)化單原子納米酶的催化性能提出了新思路，而且建立了單原子位點(diǎn)與相鄰缺陷之間的協(xié)同構(gòu)效關(guān)系，為深入理解納米酶結(jié)構(gòu)中的缺陷在酶促催化中的作用提供了新的見解。此外，開發(fā)的高活性過氧化氫納米酶為視網(wǎng)膜血管病變的治療提供了一種潛在的治療選擇。

　　相關(guān)研究工作得到國家自然科學(xué)基金、科學(xué)技術(shù)部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、中科院創(chuàng)新交叉團(tuán)隊(duì)、中科院青年創(chuàng)新促進(jìn)會的資助。

缺陷工程化高活性過氧化氫納米酶用于眼底新生血管疾病治療