中國董紹俊院士,新發現的單原子納米酶有何大用?

2020-12-05 博科園

納米酶是具有酶樣性質的催化納米材料，具有成本低、穩定性高、催化活性可調、易於大規模生產等優點。由於這些原因，它們被廣泛應用於生物傳感、治療和環境保護。然而，與天然酶相比，納米酶活性位點的低密度與催化活性低有關。

此外，它們的不均勻元素組成和小面結構衍生的複雜催化機制嚴重限制了傳統納米酶的廣泛應用。中國科學院長春應用化學研究所董紹俊院士領導的研究團隊發現了一類新單原子納米酶。

它將最先進的單原子技術與固有的酶樣活性位點結合起來。研究人員利用碳納米束約束的軸向n -配位的FeN5中心(FeN5 SA/CNF)合成了單原子納米酶。理論計算和實驗研究表明，芬5 SA/CNF的類氧化活性最高是由酶樣活性位點和催化機理決定。原子分散的金屬中心最大程度地提高了原子利用效率和活性位點的密度。

良好的協調結構為機理研究提供了一個清晰的實驗模型。目前研究結果表明，單原子納米酶克服了傳統納米酶的關鍵缺陷。此外，模擬天然酶的活性位點似乎是合成單原子納米酶的一種有效方法，具有較高的活性和清晰的機理。

模擬細胞crome P450活性中心的原子分散Fe位點示意圖、原子結構表徵以及單原子納米酶類氧化物活性的實驗和理論研究。圖片：DONG Shaojun此外，單原子納米酶的催化性能和機理主要取決於活性中心的空間構型，而不是載體的大小、結構或表面。因此，通過改變所支持的納米材料，某些類型的活性位點可以擴展到具有明確酶樣機制的一般應用。這項發表在《科學進展》上的研究表明，單原子納米酶的定義為納米酶的催化機理和合理設計提供了一個新視角，也顯示出成為下一代納米酶的巨大潛力。傳統納米酶技術面臨著複雜的尺寸、組成和表面依賴的催化作用以及固有低活性位點密度的巨大挑戰。

發現的一類新單原子納米酶，它在納米材料中具有原子分散的酶樣活性位點，顯著提高了催化性能，並揭示了其作用機理。以氧化酶催化為模型反應，實驗研究和理論計算表明，單原子納米酶與碳納米纖維限制的FeN5活性中心(FeN5 SA/CNF)催化行為類似於細胞色素P450的軸向配體配位血紅素。芬5 SA/CNF具有明確的活性基團和關鍵協同作用，使其具有清晰的電子推擠作用機制，並在其他納米酶中具有最高的類氧化活性(速率常數是商用Pt/C的70倍)和廣泛抗菌應用。

博科園-科學科普｜研究/來自: 中國科學院參考期刊文獻:《Science Advances》DOI: 10.1126/sciadv.aav5490博科園-傳遞宇宙科學之美

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