NANO LETTER: 揭示含氧碳納米管的酶活性及其在細菌感染治療中的應用

【引言】

天然酶具有很高的底物選擇性和生物催化性能，在溫和條件下具有極高的生物反應催化效率。然而，天然酶的低穩定性，高敏感性以及難回收的特點，阻礙了其在各個領域的實際應用。為了克服這些困難，使用納米材料模擬天然酶的活性已經成為當前的一個研究熱點。作為非金屬納米酶的重要組成部分之一，碳納米管及其衍生物己經得到了研究人員的廣泛關注。然而，基于碳納米管的納米酶的生物催化性能較低，并且在中性環境下幾乎沒有催化活性，這很大程度上限制了其在生物醫學中的應用。

【成果簡介】

近日，中國科學院長春應用化學研究所曲曉剛團隊利用綠色環保的方法，合成了氧化碳納米管（o-CNTs），用于模擬天然的過氧化物酶。同時，通過結合理論計算和實驗，證明了氧化碳納米管的酶活性來源于其表面豐富的含氧官能團。其中，氧化碳納米管表面的羰基是催化過程的活性位點，而羧基和羥基是競爭抑制位點。相比于羥基，羧基對底物具有更強的結合能力，因此對催化反應的抑制程度更強。這種通過和催化位點競爭結合底物而降低催化性能的機制被定義為“競爭抑制作用”。該團隊進一步通過化學方法減少表面羧基的數量，進而提高o-CNTs的催化活性。由于o-CNTs在生理條件下能模擬過氧化物酶，催化雙氧水產生羥基自由基，該團隊結合氧化碳納米管和極微量的雙氧水，用于傷口細菌感染的治療，避免了由于使用過量雙氧水清除細菌而產生的一系列副作用。

【圖文導讀】

圖1 o-CNTs模擬天然過氧化物酶的催化機理

圖2 o-CNTs及其衍生物的表征

（a） PH, BA, and BrPE的分子結構式
（b） p-CNTs，o-CNTs，o-CNTs-PH，o-CNTs-BA, o-CNTs-BrPE的TEM圖像
（c） p-CNTs，o-CNTs，o-CNTs-PH，o-CNTs-BA, o-CNTs-BrPE的O1s XPS光譜

圖3 o-CNTs的酶活性

（a）o-CNTs，p-CNTs的過氧化物酶活性
（b）不同濃度的o-CNTs的過氧化物酶活性
（c）不同溫度/pH對o-CNTs酶活性的影響
（d）o-CNTs及其衍生物的酶活性的比較
（e）o-CNTs及其衍生物的酶催化反應活化能示意圖

圖4 o-CNTs及其衍生物的抗菌效果

圖5活體實驗

（a） 基于o-CNTs納米酶治療傷口感染的示意圖
（b） 不同時間點的治療效果圖
（c） 傷口面積隨時間的變化圖
（d） 不同治療方案對傷口組織處細菌生長的影響（涂布平板法）
（e） 不同治療方案對傷口組織處細菌數量的影響（數量統計）

圖6傷口處病理學分析

（a） 傷口愈合過程的組織學分析
（b） 皮膚組織愈合過程的免疫組織化學分析
（c） 膠原蛋白形成的定量評價
（d） 血管形成的定量評價

【小結】

使用綠色環保的合成方法，合成了具有高效過氧化物酶活性的o-CNTs，并且結合理論計算和實驗，解釋了酶活性的機制。同時，將納米酶用于傷口細菌感染的治療上，避免了由于使用過量雙氧水清除細菌而產生的一系列副作用。

該成果以“Unraveling the Enzymatic Activity of Oxygenated Carbon Nanotubes and Their Application in the Treatment of Bacterial Infections”為題發表在國際著名期刊NANO LETTER上.
鏈接https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.7b05095
DOI: 10.1021/acs.nanolett.7b05095

本文為劉昊投稿。

歡迎大家到材料人宣傳科技成果并對文獻進行深入解讀，投稿郵箱tougao@cailiaoren.com。

材料人投稿以及內容合作可加編輯微信：cailiaokefu。

PS：材料人重磅推出材料計算解決方案，組建了一支來自全國知名高校老師及企業工程師的科技顧問團隊，專注于為大家解決各類計算模擬需求。如果您有需求，歡迎掃以下二維碼提交您的需求。或點擊鏈接提交，或直接聯系微信客服（微信號：cailiaoren001）