研究背景天然酶作为生物催化剂,其优异的催化性能源于独特的三维几何结构和局域电场(local electric field, LEF)。这些特性促进了活性中心与底物之间的高效电子传递,使其在生命过程中发挥不可替代的作用。然而,传统纳米酶的催化效率仍显著低于自然酶,这主要归因于人工酶难以模拟自然酶复杂的三维几何和电子分布,尽管单原子纳米酶能够利用轴向修饰的配体基团或轴向堆叠双原子活性中心模拟天然酶中辅因子作用,但这些方法通常需要复杂的设计和冗长的合成过程,且仍受限于活性位点的数量有限,导致电子传递效率低,难以有效重现自然酶中由局域电场驱动的电子转移机制。因此,开发一种通用型的仿生设计策略成为当前纳米酶研究的重点。
总结与展望总之,本研究提出了一种在纳米酶中以生物模拟方式构建三维几何和电子结构的简单方法。这种方法解决了传统三维结构纳米酶所面临的挑战,传统纳米酶受限于单原子纳米酶的复杂性和困难的制造工艺。理论计算和原位实验证实,GDY 通过sp-C和Cu d轨道之间的轨道杂化促进了Cu NPs表面电子的调制,这在底物分解过程中协调Cu NPs和O2之间的电子分布方面起着至关重要的作用,增强了向O2反键轨道的电子转移。这促进了O-O键的裂解和H2O的解吸,使类似于漆酶的活性显著提高到82.53 × 10⁻⁴ U/mg,是天然漆酶活性的 4.72 倍,并展示了其在环境污染检测与治理中的实际应用潜力。未来纳米酶三维结构设计应朝着更高效、更通用和更环保的方向发展,通过引入更多的电子耦合机制,实现对局部电场的精准调控。其次,基于模块化设计的思路,可以开发适用于多种酶模拟需求的通用纳米结构模板,降低合成成本并简化工艺。此外,将纳米酶设计与可持续性目标结合,如高温条件下的塑料降解与循环使用,将拓宽其在环境保护中的应用范围。最终,这些改进将推动人工酶从实验室向工业生产的转化,为绿色化学和生物工程领域带来革命性突破。 文献信息Yujian Sun,Chenguang Wang, Haoxin Li, Kai Wang, Prof. Dr. Qiang Bai, Guoli Zhang, Shuishui Feng, Prof. Dr. Lina Wang, Prof. Dr. Zhiling Zhu, Dr. Ning Sui, sp Carbon Disrupting Axial Symmetry of Local Electric Field for Biomimetic Construction of Three-Dimensional Geometric and Electronic Structure in Nanozyme for Sensing and Microplastic Degradation, Angew. Chem. Int. Ed. 2025, e202418707. https://doi.org/10.1002/anie.202418707