上硅所施劍林院士等NSR：模型單原子催化劑橋接氧化酶催化和氧還原電催化
在納米催化醫學領域，尋找高性能催化劑至關重要。由于缺乏理論指導，目前對醫用催化劑的篩選主要依靠試錯的方法，因此建立醫用催化劑的快速搜索評估方法具有重要意義。近日，中國科學院上海硅酸鹽研究所施劍林課題組，從實驗和理論兩個維度，利用模型單原子催化劑，通過顯色反應、電化學伏安法、第一性原理計算和腫瘤催化治療效果，揭示了氧化酶催化和氧還原（ORR）電催化活性之間的線性關系和內在同源性，并引入了評估類氧化酶催化劑活性的新方法-線性掃描伏安技術，基于線性掃描伏安法提出了可評估氧化酶催化活性的有效描述符-歸一化平均電流密度()，該簡便的評估方法可用于快速篩選成千上萬種潛在的可能具有類氧化酶活性的ORR電催化劑以治療腫瘤（圖1）。該研究橋接了氧化酶催化和氧還原電催化，對尋找高效納米酶具有重要理論和實踐意義，同時推動后續對仿酶催化和電催化兩個領域內在關系的深入探究。相關研究成果以“Bridging Oxidase Catalysis and Oxygen Reduction Electrocatalysis by Model Single-Atom Catalysts”為標題發表在《國家科學評論》（National Science Review）。論文第一作者是逯向雨博士，通訊作者是施劍林研究員。
具有酶催化活性的納米材料，由于其高穩定性，低成本性，活性可調和高催化活性而在很多領域具有廣闊的應用潛力（例如，生物傳感器，免疫測定，疾病診斷，藥物開發，防污和環境處理）。氧化酶可以催化O2氧化有機分子，同時將O2還原為水、過氧化氫或官能團。類氧化酶和類過氧化氫酶利用氧化性物質，諸如O2和H2O2，來催化生物分子的氧化，構成許多生物醫學應用的基礎，例如腫瘤治療和抗菌。不幸的是，H2O2是在代謝過程中由O2緩慢地生成的，因此人體內H2O2的水平通常低于某個閾值，故使用H2O2作為底物的治療方式會受到限制。氧化酶可使用O2作為反應底物氧化有機物，基于物質轉化的原理，相比于涉及H2O2的氧化途徑，氧化酶催化有機物氧化的過程中O2的利用率更高，且血液循環中O2可持續供應，因此氧化酶是最有希望的提高氧化應激水平的候選催化劑。殺菌抗腫瘤最終的反應物來源為氧氣，因此設計高活性的氧化酶和在現行氧化酶的評估方法之外開發新的氧化酶評估方法，在納米催化醫學領域具有重要意義。
人們通常認為酶催化和電催化是兩個獨立的科學領域，但是最近的研究發現，一些用于氧還原反應（ORR）的電催化劑具有類氧化酶的性質，而一些天然氧化酶也可以被用作氧還原電催化劑，因此研究人員猜想催化劑的類氧化酶活性與催化劑的氧還原反應活性在活性起源上是一致的。如果這個假設成立，便可以基于成熟且簡便的伏安法評估催化劑的類氧化酶活性，并且可以評估大量已廣泛用于燃料電池，染料敏化太陽能電池，金屬空氣電池的高活性氧還原電催化劑可能具有的類氧化酶活性，進而探索這些催化劑在催化醫學等其他領域的應用。
圖 1?模型單原子催化劑橋接氧化酶催化和氧還原電催化的示意圖。
【文章要點】
1）?為了驗證實驗假設，研究人員選擇單原子催化劑（SACs）作為模型催化劑，SACs是一種理想的非均相催化劑，具有超高的比金屬質量催化活性，可以最大程度地利用金屬原子，極大地減少后續釋放到介質中的游離金屬離子，最大程度地降低材料的離子毒性，對于需要以相對較少的金屬元素實現高效治療的癌癥研究尤為有利。另外，SACs的金屬原子作為催化活性位點孤立地分散在載體上，催化位點明確且均一的結構為從分子水平上理解反應機理提供了理想的模型系統，因此基于SACs探索出的活性順序更有可比性，得出的規律更有代表性，研究出的機制將具有普遍意義。
在自然界中，血紅素-銅氧化酶（HCOs），例如含有異核Cu-Fe中心的細胞色素C氧化酶，在呼吸過程的最后步驟中，可以以最小的超電勢有效地催化氧氣的四電子還原而生成水，因此仿細胞色素C氧化酶結構可能形成協同作用。作為必需的微量營養素，少量的銅和鐵離子對組織和器官的副作用可忽略不計，因此銅/鐵單原子材料適合生物醫學應用。基于以上考慮，研究人員開發了四種模型SACs包括：（i）空心氮摻雜碳球（HNCS）；（ii）摻雜Cu單原子的HNCS（C-HNCS）；（iii）摻雜Fe單原子的HNCS（F-HNCS）；（iv）摻雜異核Cu-Fe中心的HNCS（CF-HNCS）。
圖2?仿人體細胞色素C氧化酶結構的Cu-Fe雙單原子催化劑的合成。
2）利用TMB顯色反應和伏安技術-線性掃描伏安法（LSV），定量分析發現由TMB顯色反應得出的類氧化酶活性（TMB顯色反應的速度，vn）與由伏安技術得出的ORR活性（歸一化平均電流密度的絕對值，）具有良好的線性關系，有趣的是，在DMEM和SBF溶液中，Cu-Fe雙單原子催化劑（CF-HNCS）的ORR活性高于Pt/C，表明葡萄糖和陰離子（如氯離子和磷酸根陰離子）可能會毒化Pt/C，使其類氧化酶活性失活，而CF-HNCS具有強大的抗毒作用和高的催化活性，因此可作為良好的抗癌催化劑。目前流行的用于評估類氧化酶活性的電子自旋共振，熒光和顯色方法難以在組成復雜的細胞培養基DMEM中使用，但是LSV技術具有更寬的使用范圍可在DMEM中用于評估催化劑的活性。在燃料電池中，陰極為氧化劑（通常是氧氣），而陽極為還原劑，例如某些有機物。氧還原反應（ORR）是使用氧氣的氧化反應的半反應，從化學反應的觀點來看，如果提高催化劑的ORR活性，則在相同的反應條件下，特別是當速率決定步驟處于氧氣還原的過程時，催化劑催化有機物氧化的能力將會增強，因此催化劑的類氧化酶活性和電化學ORR活性本質上是同源的。
圖3?催化活性的表征。
3） 在分子水平上探究了單原子催化劑的類氧化酶/ORR活性的催化機理，密度泛函理論計算表明活性位點的金屬原子種類和Cu-Fe的協同作用是影響催化活性的兩個關鍵因素，仿細胞色素C氧化酶的異核中心Cu-Fe之間的協同作用使催化位點對含氧物質具有最佳的吸附強度，表明通過合理地設計活性中心，如仿生合成，可以獲得高性能仿酶催化劑。
圖4?DFT計算催化過程。
綜上，研究人員通過顯色反應評估出的氧化酶活性與電化學方法評估的氧還原活性之間的一致性，揭示了氧化酶催化和電催化之間的內在同源性；得出可以用電化學方法測試氧還原活性評估催化劑的氧化酶活性，同時提出了有效的用于快速評價酶催化活性的描述符()；通過催化劑對腫瘤的治療效果，探索出氧還原催化劑用于腫瘤治療的潛力，鑒于人們已經開發出數以萬計的氧還原電催化劑，本工作證明大量的高活性ORR電催化劑有望成為氧化酶模擬物的候選，以便用于納米催化醫學領域中，例如腫瘤治療和抗菌；單原子催化劑作為模型催化劑，得出的結論更具普適性，且證實了仿生雙原子具有協同作用。本工作的發現對快速尋找用于腫瘤催化治療的氧化酶模擬物具有啟發性，并鼓勵未來對酶催化和電催化之間關系的進一步探索。
該研究工作得到了國家自然科學基金、中國科學院前沿科學重點研究計劃、上海市科委重點項目和上海市基礎研究科技計劃等項目的資助和支持。
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