纳米酶是一类蕴含酶学特性的纳米材料，能够在生理或极端条件下催化酶的底物，具有类似于天然酶的酶促反应动力学，并且可以作为酶的替代品用于人类健康。自从2007年首次报道以来，全球已经有55个国家的420个研究单位陆续报道了近1200种不同纳米材料的纳米酶活性，其催化类型涵盖了氧化还原酶、水解酶、裂合酶和异构酶等。纳米酶是多学科交叉融合的典范，2022年被IUPAC评为十大化学新兴技术。经过十几年发展，在从事化学、酶学、材料、生物、医学、理论计算等多领域科学家共同推进下，如今纳米酶已经成为新的研究热点。随着对纳米酶催化机制和构-效关系的深入研究，纳米酶逐渐从随机合成演变为理性设计。特别是过氧化物纳米酶，其催化活性已经超越了天然过氧化物酶。
然而，对于具有其他催化类型（如超氧化物歧化酶（SOD））活性的纳米酶，仍然面临着构-效关系不明确、催化活性低的挑战。为此，研究人员在系统研究碳点纳米酶的构-效关系基础上，制备了一种催化活性与天然SOD酶活性媲美的碳点SOD纳米酶。通过选择性化学修饰和理论计算，研究人员对其催化机制和构-效关系进行了深度阐释。相关研究成果于2023年01月11日在线发表于《Nature Communications》期刊。
碳点 (C-dots) 作为一类光致发光纳米材料，因其独特的性质，在过去十年受到了极大关注。碳点具有粒径小、易制备、成本低等优点，其表面丰富的含氧官能团，如羰基、羧基、羟基等，使碳点具有良好的水溶性和易于功能化的特点。因此，碳点在传感、生物成像、发光二极管、疾病治疗等方面显示出巨大应用潜力。此外，碳点由于其小尺寸效应和丰富的活性位点而表现出催化活性，但以往所报道的碳点纳米酶主要集中于其过氧化物酶活性，关于设计具有高抗氧化活性的碳点纳米酶的报道较为罕见。
在这项工作中，研究人员设计了具有超高类 SOD 活性的碳点纳米酶（活性>10000 U/mg），并利用表面结构定向调控策略和理论计算揭示了其催化机制。研究结果表明碳点 SOD 纳米酶的羟基和羧基能够通过氢键与超氧阴离子结合，与π-体系共轭的羰基则夺取超氧阴离子的一个电子，产生氧气和还原态碳点。还原态碳点被另一个超氧阴离子氧化回初始状态并产生过氧化氢。体外实验结果显示碳点纳米酶可选择性靶向氧化损伤的细胞，并定位到线粒体，这对从源头上清除胞内ROS非常有利。结合其高催化活性，研究人员成功地将碳点 SOD 纳米酶应用于抵御体内缺血性中风引起的氧化应激，并取得良好的治疗效果。此外，碳点SOD纳米酶具有稳定性高、制备容易、成本低廉、易于规模化生产等优点，克服了天然酶的局限性，在工业、医学、生物等领域展现出巨大的应用潜力。
图：(a)碳点SOD纳米酶的制备、催化机制及(b)其在缺血性中风治疗中的应用
金沙集团1862cc阎锡蕴院士、范克龙研究员和南开大学庞代文教授、西安交通大学张明真研究员、刘翠副教授为本文的共同通讯作者，西安交通大学高文慧、金沙集团1862cc贺久洋博士、陈雷博士为共同第一作者。该研究得到了国家自然科学基金、科技部重点研发计划、金沙集团1862cc创新交叉团队、金沙集团1862cc青年创新促进会及西安交通大学青年拔尖人才计划的资助。
文章链接：https://doi.org/10.1038/s41467-023-35828-2
（供稿：范克龙课题组）
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