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  北京化工大學劉惠玉教授與中科院生物物理研究所閻錫蘊院士、范克龍副研究員等合作首次開發(fā)了一種具有單原子分散活性中心的納米酶（簡稱為“單原子納米酶”）用于抗菌及促傷口愈合應用。相關(guān)成果發(fā)表在《Angewandte Chemie International Edition》，DOI：10.1002/anie.201813994。論文第一作者為北京化工大學徐柏龍同學、王偉偉博士及國家納米中心王會副研究員，通訊作者為劉惠玉教授、閻錫蘊院士及范克龍副研究員。

  自2007年Fe₃O₄納米顆粒被首次報道具有過氧化物酶活性以來，具有類酶活性的納米材料，即納米酶，得到了廣泛的關(guān)注和深入的研究。然而，迄今大部分納米酶的發(fā)現(xiàn)都是基于納米材料類酶活性的發(fā)現(xiàn)，再到活性驗證和評估的過程，很少能夠定向地從結(jié)構(gòu)上模擬天然酶，這個現(xiàn)狀阻礙了對納米酶結(jié)構(gòu)-活性的深入研究。如何精準控制納米酶的生物催化活性位點以研究納米酶的結(jié)構(gòu)-活性關(guān)系是揭示其催化機理和拓展其生物應用的關(guān)鍵。

  近年來，單原子催化劑（SACs）由于其高的原子利用率、優(yōu)異的選擇性和催化活性，在多相催化領(lǐng)域引起了人們的廣泛關(guān)注，然而SACs在納米酶領(lǐng)域卻鮮有報道。SACs具有原子分散的金屬活性中心，為他們可控制備具有單一催化活性位點的納米酶并揭示其酶學催化機理提供了突破口。

圖1. ZIF-8衍生的單原子納米酶用于傷口抗菌示意圖

  基于此，他們首次發(fā)現(xiàn)一種金屬有機框架材料ZIF-8衍生的Zn?N?C SACs可作為一種理想的單原子納米酶（PMCS），這種新型的單原子納米酶具備如下特點：

• 1）具有單一、分散均勻的金屬鋅活性位點，表現(xiàn)出和天然酶類似的M?Nx活性中心，有利于揭示納米酶的結(jié)構(gòu)-活性關(guān)系及催化機理；

• 2）擁有優(yōu)異的類過氧化物酶活性和體內(nèi)外抗菌活性，能夠顯著促進傷口的愈合；

• 3）具有的Zn?N₄不飽和位點是高效發(fā)揮類酶活性的關(guān)鍵因素，可有效促進過氧化氫的分解和羥基自由基的生成。

圖2. 材料TEM圖及類酶活性表征

材料制備及類酶活性表征

  要點：利用ZIF-8在800 °C高溫下碳化，構(gòu)建得到單原子鋅催化劑，并證實其可作為一種單原子納米酶，具有高效的過氧化物酶活性，對H₂O₂和TMB底物表現(xiàn)出高的親和力。此外，通過ESR實驗證實該單原子納米酶能夠有效地促進H₂O₂的分解，產(chǎn)生大量的羥基自由基。

圖3. XPS、EXAFS表征及密度泛函數(shù)理論計算研究

結(jié)構(gòu)演化及催化機理研究

  要點：通過制備一系列不同碳化溫度下得到的ZIF-8衍生的碳材料作為對比，研究ZIF-8在高溫過程中的結(jié)構(gòu)演變，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，800 °C下得到的PMCS單原子納米酶具有最多單原子鋅活性位點及最高的催化活性。證實單原子鋅位點的存在是高催化活性的來源。利用密度泛函數(shù)理論（DFT）計算，揭示其活性結(jié)構(gòu)為不飽和的Zn?N₄結(jié)構(gòu)，同時提出該單原子納米酶促進H₂O₂均裂產(chǎn)生羥基自由基的可能途徑。

圖4. 體內(nèi)外抗菌性能評估

體內(nèi)外抗菌性能研究

  要點：這種制備得到的單原子納米酶在體外抗菌抗菌實驗中，表現(xiàn)出高達99.85%的抑菌率。在小鼠傷口模型實驗中，能夠在低濃度H₂O₂情況下有效促進傷口的愈合，并且具有很高的生物安全性。

  在該研究中，作者利用廣泛研究的ZIF-8為前驅(qū)體，通過介孔硅保護策略，構(gòu)建了具有單原子鋅分散的單原子納米酶。通過Raman、XPS等手段，研究其ZIF-8在高溫碳化過程中的結(jié)構(gòu)演化行為。并結(jié)合密度泛函數(shù)理論計算，揭示了所構(gòu)建的單原子納米酶的不飽和活性結(jié)構(gòu)及可能的催化機理。因此，他們相信該工作能夠有助于理解納米酶的催化機理，并促進SACs在生物催化領(lǐng)域的發(fā)展。

  本工作感謝揚州大學高利增教授、中科院高能物理所鄭黎榮副研究員、國立臺北科技大學陳生明教授、國家納米中心施興華研究員及北京化工大學莊仲濱教授提供的支持與幫助。

  劉惠玉教授，北京化工大學博士生導師，國家優(yōu)秀青年科學基金獲得者。課題組長期致力于納米生物材料制備基礎(chǔ)與結(jié)構(gòu)調(diào)控，抗癌診治等健康工程應用，研究成果相繼刊發(fā)在Adv. Mater., 2018, 30, 1800180, Adv. Mater., 2017, 1700448, Adv. Mater., 2016, 28, 8379-8387, Adv. Mater., 2012, 24, 755-761, Adv. Sci., 2019, DOI: 10.1002/advs.201801507, Adv. Sci., 2017, 4, 1600248, Adv. Funct. Mater., 2016, 26, 4252–4261, ACS Nano, 2018, 12, 9022-9032, ACS Nano 2015, 9, 1788-1800, Angew. Chem. Int. Ed., 2011, 50, 891-895等期刊上，為相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展提供了理論和技術(shù)指導。劉惠玉課題組網(wǎng)頁：http://www.liuhuiyugroup.com

  閻錫蘊院士，中科院生物物理所研究員、中科院院士。曾任亞洲生物物理聯(lián)合會（ABA）主席。

• 1993年，在德國海德堡大學醫(yī)學院獲得博士學位；

• 隨后，進入美國Memorial Sloan-Kettering癌癥研究中心，從事博士后研究隨后研究；

• 1997年，入選中科院“百人計劃”，進入微生物所工作；

• 2002年-至今，調(diào)入生物物理所。

  主要從事腫瘤生物學與納米生物學研究，發(fā)現(xiàn)腫瘤新靶點CD146，研究其作用機制，發(fā)展針對CD146新靶點的抗體治療策略，并轉(zhuǎn)化。發(fā)現(xiàn)納米酶，提出納米酶新概念，并將其標準化。結(jié)合腫瘤生物學研究和納米生物學研究推動應用創(chuàng)新：設計雙功能納米酶檢測探針，創(chuàng)造出全球首例納米酶產(chǎn)品，發(fā)展納米酶治療腫瘤新策略。曾獲國家自然科學獎二等獎（2012）、Atlas獎（2015）、全國創(chuàng)新爭先獎（2017）、談家楨生命科學成就獎（2018）。

  范克龍副研究員，2014年于中國科學院生物物理所獲得博士學位。入選中國科協(xié)首批“青年人才托舉工程”，中國科學院青年創(chuàng)新促進會會員。長期研究鐵蛋白/納米酶新功能及其生物醫(yī)學應用。首次發(fā)現(xiàn)鐵蛋白識別腫瘤，并據(jù)此設計納米酶探針分子，用于腫瘤的診斷(Nat. Nanotechnol., 2012)和治療 (PNAS, 2014; ACS Nano, 2018)。為此，應邀出席2015年美國Gordon Conference，國際同行稱其為納米領(lǐng)域代表性的創(chuàng)新理念。根據(jù)天然酶的結(jié)構(gòu)特性，提出了一種仿生優(yōu)化納米酶的新策略（Chem Commun., 2017），發(fā)展了一種快速、靈敏、簡便檢測的納米酶試紙條新方法（Biosensor Bioelectron, 2015），實現(xiàn)成果轉(zhuǎn)化，獲2015年度Atlas國際獎。在此基礎(chǔ)上，設計了一種具有四種酶活性的碳氮納米酶，利用鐵蛋白的腫瘤靶向性及溶酶體亞定位，實現(xiàn)了體內(nèi)對納米酶的精準遞送和酶活調(diào)控，建立了納米酶催化治療腫瘤新策略 (Nature Communications, 2018)。最新發(fā)展了一種納米酶催化光聲成像新方法（Nano Letters, 2018）。相關(guān)研究成果入選“中國十大科學進展”（2012年），獲中國科學院院長特別獎（2013），中國科學院優(yōu)秀博士畢業(yè)論文（2015）等獎項。

  論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.201813994