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
中国科学院生物物理研究所阎锡蕴院士、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、中国科学院生物物理研究所贺久洋博士、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、中国科学院创新交叉团队、中国科学院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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