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8月25日，從天津大學傳出消息，該校張曉東教授團隊通過人工酶工程構建了具有超高生物活性的單原子納米酶RhN?、VN?和Fe-Cu-N?。該單原子納米酶克服了天然酶的固有局限性，可以通過調節(jié)巨噬細胞等免疫細胞，減少炎癥，有望加速神經創(chuàng)傷的早期愈合。
張曉東團隊研究發(fā)現(xiàn)，單原子納米酶RhN?和VN?具有超高生物催化活性，其催化反應親和力超越天然酶5~20倍，并發(fā)現(xiàn)其具有新型催化活性中心和雙側反應路徑。此外，該納米酶克服了天然酶不穩(wěn)定、易失活的缺點，其生物催化穩(wěn)定性能可持續(xù)數月以上。
天然酶已經廣泛使用于生物醫(yī)藥領域，構建超越天然酶活性的人工酶一直是人們面臨的巨大科學挑戰(zhàn)。此外，天然酶具有較差的催化穩(wěn)定性、較低的可回收和可重復使用度等熱點，往往難以被高效的使用。人工酶工程主要是利用人工的方式在原子和分子水平構建生物催化活性穩(wěn)定，達到模擬天然酶的目的。單原子納米酶因為高的生物催化活性和原子水平的精準構筑受到廣泛關注。
該研究團隊通過密度泛函理論預測和原子工程精準構建了具有超高生物活性的單原子納米酶RhN?、VN?和Fe-Cu-N?。通過密度泛函理論研究發(fā)現(xiàn)，與傳統(tǒng)的FeN?不同，RhN?和VN?擁有完全不同的催化反應機理，它們首先結合單原子O，形成穩(wěn)定的Rh-O-N?和V-O-N?催化活性中心，然后通過獨特的“雙側”反應路徑大幅度降低反應能壘，實現(xiàn)高效的生物催化活性。此外，室溫下，天然酶僅擁有6小時~48小時的催化穩(wěn)定性，并且難以回收使用，而RhN?、VN?和Fe-Cu-N?單原子納米酶擁有長達數月的生物催化穩(wěn)定性，并且可以反復使用數十次沒有明顯衰減，表明了極高的可重復利用和可回收特性。
生物實驗表明，單原子納米酶RhN?、VN?和Fe-Cu-N?可以用于高效的傷口愈合。傳統(tǒng)的傷口縫合線沒有生物催化活性，通過單原子納米酶構建的新型縫合線擁有了各類氧化還原酶活性。他們通過促進血管內皮生長因子的分泌，調控氧化應激反應，降低傷口的炎癥，加速傷口閉合由炎癥向組織修復期過渡，實現(xiàn)腦創(chuàng)傷頭皮的高效愈合。他們還可以通過調節(jié)巨噬細胞等免疫細胞，抑制小膠質細胞活化，緩解神經創(chuàng)傷的氧化損傷。
張曉東表示，單原子納米酶因高催化活性和可重復利用的特性，成為一種有潛力的酶替代物，可通過構建新型生物器械，進一步拓展其在生物醫(yī)學中的應用。
