原子级精准设计的人工超氧化物歧化酶：突破底物特异性瓶颈的仿生纳米酶研究

针对纳米酶底物特异性不足制约其催化治疗应用的难题，中国科学院研究人员通过原子精确合成与酶仿生策略，成功构建了单原子锰纳米酶（Mn-SAzyme）。该材料精确模拟天然Mn-SOD（超氧化物歧化酶）活性中心，X射线吸收光谱证实其Mn–N3O配位结构与天然酶高度一致。研究显示Mn-SAzyme仅表现SOD样活性，而完全规避了POD（过氧化物酶）、CAT（过氧化氢酶）等交叉活性，首次实现了与天然酶相当的严格底物特异性。该成果为开发高特异性纳米酶提供了原子级设计范式，并在急性肾损伤（AKI）治疗中展现出显著疗效。

　　

在生命体系中，超氧化物歧化酶（Superoxide Dismutase, SOD）作为抗氧化防御系统的核心成员，通过催化超氧阴离子（O₂^•?）歧化反应维持氧化还原平衡。然而，天然SOD存在稳定性差、提取成本高等缺陷，促使科学家探索纳米酶（nanozyme）作为替代方案。尽管Fe₃O₄等纳米材料已展现多酶活性，但普遍缺乏底物特异性——例如兼具过氧化物酶（POD）和氧化酶（OXD）活性的纳米酶会导致生物检测中的背景干扰，而抗氧化/促氧化双功能纳米酶在疾病治疗中可能产生拮抗效应。如何突破"广谱催化"局限，构建与天然酶相当的特异性纳米酶，成为该领域的关键科学瓶颈。

针对这一挑战，中国科学院的研究团队创新性地将原子精确合成与酶仿生理念相结合，以碳点（Carbon Dots, CDs）为载体，成功制备出单原子锰纳米酶（Mn-SAzyme）。通过同步辐射X射线吸收精细结构谱（XAFS）等表征技术，证实其Mn–N₃O配位环境与天然Mn-SOD（PDB ID: 1VEW等）的Mn(II)-His₃-Asp-H₂O活性中心在元素组成、配位数和键长（Mn–N/O键长差异<0.02 nm）上高度一致。这种原子级结构模拟使Mn-SAzyme的催化速率常数（k_cat）达到4.2×10⁷ M^?1s^?1，与天然SOD相当，同时完全规避了POD、CAT、OXD和谷胱甘肽过氧化物酶（GP_X）等交叉活性，首次实现了"单功能化"催化特性。

关键技术方法
研究采用柠檬酸锰与乙二胺的配位自组装策略，通过低温碳化构建CDs负载的Mn单原子催化剂。利用球差校正透射电镜（AC-STEM）确认Mn单原子分散，X射线光电子能谱（XPS）和扩展X射线吸收精细结构（EXAFS）解析Mn–N₃O配位构型。通过电子顺磁共振（EPR）捕获活性氧中间体，结合密度泛函理论（DFT）计算阐明催化机制。动物实验采用顺铂诱导的急性肾损伤（AKI）模型评估治疗效果。

研究结果

1. 结构与活性表征
   Mn-SAzyme的k_cat/K_m值比Mn₃O₄纳米酶高3个数量级，且在其他底物（TMB、H₂O₂等）体系中无显著活性。EPR检测显示其通过"Mn(II)-Mn(III)-Mn(II)"循环机制特异性催化O₂^•?歧化，与天然SOD完全一致。

2. 特异性机制解析
   DFT计算表明，Mn–N₃O构型使O₂^•?的吸附能（?1.52 eV）远低于H₂O₂（?0.37 eV），从电子结构层面解释了底物选择性。

3. AKI治疗应用
   在AKI模型中，Mn-SAzyme使血清肌酐（Scr）和尿素氮（BUN）水平降低58.7%和62.3%，显著优于天然SOD组（p<0.01），其机制涉及特异性清除肾小管上皮细胞中的O₂^•?并抑制NF-κB通路活化。

结论与意义
该研究通过原子级仿生设计，首次实现了纳米酶对天然酶底物特异性的完美复刻，突破了"多活性共存"的传统局限。Mn-SAzyme的严格单功能特性使其在AKI等氧化应激相关疾病治疗中避免了副反应风险，为精准酶疗法提供了新工具。发表于《Journal of Materials Science》的这项成果，不仅建立了"结构仿生→活性定制→应用验证"的研究范式，更推动了纳米酶从"广谱催化"向"精准催化"的范式转变，对生物传感、靶向治疗等领域具有深远影响。