納米酶是一類蘊含酶學(xué)特性的納米材料，能夠在生理或極端條件下催化酶的底物，具有類似天然酶的酶促反應(yīng)動力學(xué)，并可作為酶的替代品用于人類健康。自2007年首次報道以來，全球已陸續(xù)報道了近1200種不同納米材料的納米酶活性，催化類型涵蓋氧化還原酶、水解酶、裂合酶和異構(gòu)酶等。納米酶是多學(xué)科交叉融合的典范。經(jīng)過多年發(fā)展，在化學(xué)、酶學(xué)、材料、生物、醫(yī)學(xué)、理論計算等多領(lǐng)域科學(xué)家的共同推進下，納米酶已成為新的研究熱點。隨著對納米酶催化機制和構(gòu)-效關(guān)系的深入研究，納米酶逐漸從隨機合成演變?yōu)槔硇栽O(shè)計。特別是過氧化物納米酶，其催化活性已超越了天然過氧化物酶。

　　然而，對于具有其他催化類型（如超氧化物歧化酶，SOD）活性的納米酶，面臨構(gòu)-效關(guān)系不明確、催化活性低的挑戰(zhàn)。為此，科研人員在系統(tǒng)研究碳點納米酶的構(gòu)-效關(guān)系基礎(chǔ)上，制備了一種催化活性與天然SOD酶活性媲美的碳點SOD納米酶。通過選擇性化學(xué)修飾和理論計算，研究人員對其催化機制和構(gòu)-效關(guān)系進行深度闡釋。1月11日，相關(guān)研究成果在線發(fā)表在《自然-通訊》（Nature Communications）上。

　　碳點（C-dots）作為一類光致發(fā)光納米材料，因獨特的性質(zhì)受到關(guān)注。碳點具有粒徑小、易制備、成本低等優(yōu)點，其表面豐富的含氧官能團如羰基、羧基、羥基等，使碳點具有良好的水溶性和易于功能化的特點。因此，碳點在傳感、生物成像、發(fā)光二極管、疾病治療等方面顯示出應(yīng)用潛力。此外，碳點由于小尺寸效應(yīng)和豐富的活性位點而表現(xiàn)出催化活性，但以往所報道的碳點納米酶集中于其過氧化物酶活性，關(guān)于設(shè)計具有高抗氧化活性的碳點納米酶的報道較為罕見。

　　本研究設(shè)計了具有超高類 SOD 活性的碳點納米酶（活性>10000 U/mg），并利用表面結(jié)構(gòu)定向調(diào)控策略和理論計算揭示了其催化機制。研究表明，碳點SOD納米酶的羥基和羧基能夠通過氫鍵與超氧陰離子結(jié)合，與π-體系共軛的羰基則奪取超氧陰離子的一個電子，產(chǎn)生氧氣和還原態(tài)碳點。還原態(tài)碳點被另一個超氧陰離子氧化回初始狀態(tài)并產(chǎn)生過氧化氫。體外實驗結(jié)果顯示，碳點納米酶可選擇性靶向氧化損傷的細(xì)胞，并定位到線粒體，這對從源頭上清除胞內(nèi)ROS有利。結(jié)合其高催化活性，研究將碳點SOD納米酶應(yīng)用于抵御體內(nèi)缺血性中風(fēng)引起的氧化應(yīng)激，并取得良好的治療效果。此外，碳點SOD納米酶具有穩(wěn)定性高、制備容易、成本低廉、易于規(guī)模化生產(chǎn)等優(yōu)點，克服了天然酶的局限性，在工業(yè)、醫(yī)學(xué)、生物等領(lǐng)域頗具應(yīng)用潛力。

　　該研究由中國科學(xué)院生物物理研究所、南開大學(xué)、西安交通大學(xué)合作完成。研究工作得到國家自然科學(xué)基金、國家重點研發(fā)計劃、中科院科技創(chuàng)新交叉與合作團隊、中科院青年創(chuàng)新促進會、西安交通大學(xué)青年拔尖人才計劃的支持。

　　論文鏈接 

（a）碳點SOD納米酶的制備、催化機制及（b）其在缺血性中風(fēng)治療中的應(yīng)用