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新型单原子纳米酶，在抑菌方面潜力巨大？

科技工作者之家 2019-05-16 浏览79次

纳米酶合成路线及形貌特征。

Zn-MOF前驱体的形貌特征。

FeN5 SA/CNF的类氧化活性。

细菌的形貌变化。

FeN5 SA/CNF类氧化活性的理论研究。

纳米酶是一种具有酶样特性的催化纳米材料，吸引了科学家的广泛研究兴趣。纳米酶具有成本低、稳定性高、催化活性可调和易于大规模生产等特点，因而在生物传感、组织工程和环境保护等领域有广阔的应用前景。然而，传统纳米酶技术除有低密度活性位点致催化活性偏低等缺点外，还面临着尺寸、组成和表面催化活性依赖等方面的关键挑战。

phys.org网站5月14日报道，《科学进展》杂志载文称，中国研究人员Liang Huang等发现了一系列新型单原子酶，这类酶在纳米材料中表现出原子分散的类酶活性位点。这些位点可显著提高单原子纳米酶的催化性能。研究人员以氧化酶催化反应作为模型反应，经理论计算和实验研究揭示了纳米酶的潜在机理：纳米酶含有碳纳米结构和特殊的FeN5活性中心，可用于多种抗菌应用。

自2007年铁磁纳米粒子具有类过氧化物活性以来，科学家们利用金属氧化物、贵金属和金属有机框架等材料设计了各种纳米酶。但与天然酶相比，人工纳米酶的催化活性较低且催化机制很复杂。因此研究人员很难找到酶活性的精确位点和起源，纳米酶技术的应用受到极大限制。Huang等利用先进的单原子技术进行了固有类酶活性位点的设计，并发现原子分散的金属中心可使新纳米酶结构中活性位点的效率和密度最大化。该方法有望成为合成高活性单原子纳米酶的高效通用方法。

Huang等利用氧化酶催化反应为模型反应，完成了理论计算和实验研究。并通过协同作用和电子给体机制确定了FeN5 SA/CNF的类氧化活性。值得注意的是，FeN5 SA/CNF的活性是平面FeN4催化剂和工业铂碳催化剂活性的17~70倍。此外，与传统纳米酶相比，新纳米酶还有轴向配位氧化驱动作用，催化活性更高。

为合成FeN5 SA/CNF，Huang等首先设计了一种金属-有机骨架（Zn-MOF），以包封酞菁铁的主客结构（FePc@Zn-MOF）。除铁以外，锰、镍和钴等也可制得对应的单原子纳米酶。此前，研究人员已经证实，在铁卟啉和FePc的煅烧反应中，方形平面FeN4位点可以保留下来。但如果没有额外支撑，单分散位点会发生团聚。因此，Huang等将碳纳米膜中分离出的FeN4位点与吡啶氮进行配位，得到了更具热力学稳定性的FeN5/C位点。

FeN5 SA/CNF单原子纳米酶在催化还原氧气的过程中会产生活性氧，从而破坏细菌的细胞膜，起到抑菌作用。为了评估FeN5 SA/CNF的抑菌活性，Huang等进行了体外实验，检测了FeN5 SA/CNF作用下的大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的存活率。与对照组相比，FeN5 SA/CNF作用下的细菌存活率明显降低。在体外实验结果的基础上，Huang等进行了体内抗菌性能研究。结果表明，用大肠杆菌感染小鼠伤口创面4天后，用新型纳米酶进行治疗，溃疡明显缓解，创面愈合速度加快。接着，Huang等利用组织病理学实验对体内愈合过程进行了验证，发现角化细胞会从正常组织迁移到创口，使表皮增厚。这说明纳米酶具有高度的生物相容性。

Huang等的成果为纳米酶的催化机理和结构设计提供了新视角。新单原子纳米酶在抑菌作用方面表现出了巨大潜力。Huang等的研究对下一代纳米酶的发现有重要的推动作用。

科界原创

编译：雷鑫宇

审稿：alone

责编：唐林芳

期刊来源：《科学进展》、《自然纳米技术》、《自然实验手册》

期刊编号：2375-2548, 1748-3387, 1754-2189

原文链接：

https://phys.org/news/2019-05-single-atom-nanozymes.html