导语
近期，中国科学技术大学吴宇恩教授、陈控特任副研究员、徐索文研究员团队报道了一种基于电子转移和限域锚定的Mn-Ce共生多活性位点纳米酶，有效实现活性氧清除。相关工作以“Mn–Ce Symbiosis: Nanozymes with Multiple Active Sites Facilitate Scavenging of Reactive Oxygen Species (ROS) Based on Electron Transfer and Confinement Anchoring”为题发表在期刊Angew. Chem. Int. Ed.上。中科大博士研究生张娟和特任副研究员汪志华为共同第一作者，吴宇恩教授、陈控特任副研究员、徐索文研究员为论文共同通讯作者。
研究背景及出发点 活性氧（ROS，reactive oxygen species）在低浓度时作为重要的信号分子调控机体免疫、代谢等重要性信号通路，在高浓度时导致DNA/RNA损伤、脂质过氧化、蛋白质氧化损伤等严重后果。目前针对高活性氧压力下的抗氧化治疗主要依靠有机小分子药物。纳米酶因其强大的类氧化还原酶特性为抗氧化治疗提供了新的思路，实现多酶一体化、非耐药性、非耗竭型催化治疗，弥补了小分子药物的缺点。纳米酶强大的催化能力得益于其金属活性中心的电子转移和价态变化，不同的类酶反应过程体现出不同的金属中心价态偏好性。 成果概述 从固氮菌和豆科植物之间互利地物质交换以及固氮菌在根细胞的直接限域定殖得到启发，作者设计了一钟基于Mn-Ce共生的纳米酶。碱沉积和退火后CeOx纳米根瘤菌限域锚定在与根细胞类似地Mn3O4载体上（CeOx/Mn3O4），并发生晶格交错和由Mn到Ce的互利电子转移，以达到更高的Ce3+/Ce4+、Mn3+/Mn2+和氧空位占比。这个纳米酶催化体系有效调控了纳米酶活性中心的价态，并保证催化过程中高效的电子传输速率，大大增强了CeOx/Mn3O4的活性氧清除能力。 （来源：Angew. Chem.） 图文解析 首先通过碱沉积和退火在Mn3O4载体上锚定了CeOx团簇。透射电子显微镜（TEM）、能量色散X射线谱（EDS）元素映射表明CeOx团簇均匀负载在Mn3O4载体上，大小在10 nm以下。在高分辨透射电子显微镜（HRTEM）的图中观察到晶格交错现象。对放大区域进行傅里叶变换并进行晶格标定，标定结果指向Mn3O4(101)、Mn3O4(211)和CeOx(111)。与标准值相比，CeOx(111)晶格发生压缩，晶面间距减小；而Mn3O4(211)晶格膨大，晶面间距增大。对不同衍射点进行遮盖并进行反傅里叶变换后，发现Mn3O4晶格延伸到CeOx区域。因此，由于相似的晶格取向和晶格间距，CeOx限域锚定在Mn3O4上，并发生晶格交错。 Figure 1：CeOx/Mn3O4的合成策略和形貌表征（来源：Angew. Chem.） XRD图与CeOx和Mn3O4的pdf标准值吻合。同时，退火导致的Mn3O4衍射峰降低，表明CeOx在载体上的锚定生长导致晶格缺陷和晶体结构变形的增加。而后通过XPS对样品Ce3+/Ce4+, Mn3+/Mn2+, and Osur/Olat 比例进行表征。结果显示，与对照组相比所有的占比均增大1-2倍。为了进一步催化体系中空位缺陷的类型和变化，采用了正电子湮灭寿命光谱(PALS)。从CeO2、Mn3O4和CeOx/Mn3O4的逐渐上升τ1值可以看出，催化体系中小型空位型缺陷的数量和尺寸有所增加。此外，为了系统地研究CeOx纳米团簇在Mn3O4上的局部配位环境，在Ce K-edge进行了同步辐射分析。与CeO2相比，CeOx/Mn3O4的主峰强度明显降低，边缘能量向低能方向偏移，这表明平均氧化态降低，Ce4+还原为Ce3+。CeOx/Mn3O4光谱和壳层位置与CeO2基本相同，表明CeOx牢固地沉积在Mn3O4载体上，没有改变其结构。此外，第一壳层和第二壳层(尤其是第二壳层)的振幅均降低，表明CeOx锚定仿生催化体系的原子无序和晶格缺陷更严重。以上研究表明，在碱沉积和退火过程中发生了由Mn3O4向CeOx的电子转移，导致CeOx氧化态降低，而Mn3O4的氧化态升高。 Figure 2：CeOx/Mn3O4的结构表征（来源：Angew. Chem.） 与CeO2和Mn3O4相比，CeOx/Mn3O4纳米酶表现出优异的类CAT和SOD活性。在CAT酶活测试中，加入5 μg/mL的CeOx/Mn3O4后，溶解氧浓度迅速增加了11.55 mg/L，并在室温下15分钟内达到平台期，显著高于相同浓度的CeO2、Mn3O4、物理混合样品以及无催化剂的对照组。而后四唑氮蓝（NBT）比色法验证了CeOx/Mn3O4对于O2·-的强大清除能力。其催化H2O2分解的Km和Vmax值分别为7.194 μM和5.863 μM/s，微摩尔级别的Km值表明CeOx/Mn3O4对H2O2优异的亲和性。DFT计算表明，这种亲和性可能来源于CeOx/Mn3O4纳米酶中Ce和Mn位点对H2O2的较低的吸附能。与CeO2和Mn3O4相比，CeOx/Mn3O4催化过程也具备了更有利的能量路径。此外，作者验证了CeOx/Mn3O4也具备良好的稳定性和可重复使用性。 Figure 3：类CAT和类SOD酶活性评估（来源：Angew. Chem.） 最后做研究了CeOx/Mn3O4在不同细胞系中的ROS清除能力。首先验证了CeO2、Mn3O4和CeOx/Mn3O4在HepG2细胞系上的安全性。随后，使用H2O2诱导ROS模型，探索了1 μg/mL CeO2、Mn3O4和CeOx/Mn3O4在HepG2和Huh7细胞系中的ROS清除能力。最终分析表明，在H2O2处理后，系统中的ROS水平显著增加，而与CeO2或Mn3O4共培养后ROS水平略有降低，在使用CeOx/Mn3O4处理HepG2后，细胞中的ROS水平显著降低。这表明CeOx/Mn3O4在各种细胞系中表现出优异的ROS清除能力，大约是CeO2的10.24倍和Mn3O4的9.36倍。 Figure 4：细胞内ROS清除能力（来源：Angew. Chem.） 论文信息 Mn–Ce Symbiosis: Nanozymes with Multiple Active Sites Facilitate Scavenging of Reactive Oxygen Species (ROS) Based on Electron Transfer and Confinement Anchoring Juan Zhang, Zhihua Wang, Xingen Lin, Xiaoping Gao, Qiuping Wang, Rui Huang, Yaner Ruan, Haonan Xu, Lin Tian, Chen Ling, Ran Shi, Suowen Xu, Kong Chen, Yuen Wu Angew. Chem. Int. Ed. 2024, DOI: 10.1002/anie.202416686 吴宇恩课题组简介及招聘 中国科学技术大学吴宇恩教授团队因科研项目需要，现面向国内外公开招聘具有高水平机器学习能力的博士后研究人员和具有扎实自动化设备搭建调试经验的工程师各一名，有意者请将个人简历、博士学位证书复印件、相关研究成果列表及其他能证明工作能力的材料发送至yuenwu@ustc.edu.cn。邮件主题请注明“应聘-自动化设备博士后”。详见课题组微信公众号：中科大吴宇恩课题组。 课题组具有国内一流的工作平台，具有XRD、TEM、BET、原位红外光谱仪、UV等催化剂表征仪器和燃料电池、电解水、二氧化碳还原、酶催化、血糖监测、气体传感等一体化测试平台。与合肥、北京、上海光源以及多家氢能、生物公司保持良好合作关系，为各种实验的顺利进行提供便利。详情可见课题组主页：http://staff.ustc.edu.cn/~yuenwu/
扫码，直达课题组主页 通讯作者简介 吴宇恩，中国科学技术大学应用化学系教授，中国科学技术大学第一附属医院兼职教授，博士生导师，教育部长江特聘教授。近些年来专注于单原子、团簇催化剂的理性设计及其工业化应用探索。2015年获基金委优秀青年基金资助，2017年获国家重点研发计划纳米专项青年项目资助并任首席，2017年获得中组部青年拔尖人才资助，2018年获得中国化学会纳米化学新锐奖，2019年获得中国化学会青年化学奖，2020年获得霍英东青年教师奖。近年来，以通讯作者在国际主流期刊发表学术论文150余篇，Nat. Catal. (3), Nat. Synth. (1), PNAS (2), J. Am. Chem. Soc.(16), Angew. Chem. Int. Ed. (18), Nat. Commun. (10), Adv. Mater. (7), Chem (2), Joule (1)等，论文总引用25000余次，h-index 73, 2020-2023年入选科睿唯安高被引科学家。目前担任期刊Science Bulletin副主编，Science China Materials编委，Small Methods 客座编辑（单原子催化专刊），无机化学学报青年编委。Chemical Research in Chinese Universities 青年编委，内燃机协会燃料电池分会委员。 陈控，中国科学技术大学应用化学系特任副研究员。从事人工智能与单原子催化、单原子材料与农业可持续发展以及植物抗逆分子机制与应用研究。主持中科大青年创新基金等项目。近年来以（共同）第一/通讯作者在Angew、The EMBO Journal、Current Biology、JIPB等期刊发表论文。论文总被引1100余次。荣获JIPB’s Best Invited Expert review、安徽大学生创新创业大赛金奖（指导老师）等。 徐索文，中国科学技术大学生命科学与医学部研究员、博士生导师、德国洪堡资深学者，国家青年拔尖人才。长期从事心血管和代谢性疾病的发病机理与药理学研究。主持美国心脏协会基金、国家自然科学基金面上项目等。近5年以第一或者通讯作者在JCI、STTT、Eur Heart J、PNAS等期刊发表论文，论文总被引1.6万余次，H-index 为 69 (Google Scholar)。荣获AHA Career Development Award、AHA Young Investigator Travel Award等。
