【引言】

天然酶具有很高的底物选择性和生物催化性能，在温和条件下具有极高的生物反应催化效率。然而，天然酶的低稳定性，高敏感性以及难回收的特点，阻碍了其在各个领域的实际应用。为了克服这些困难，使用纳米材料模拟天然酶的活性已经成为当前的一个研究热点。作为非金属纳米酶的重要组成部分之一，碳纳米管及其衍生物己经得到了研究人员的广泛关注。然而，基于碳纳米管的纳米酶的生物催化性能较低，并且在中性环境下几乎没有催化活性，这很大程度上限制了其在生物医学中的应用。

【成果简介】

近日，中国科学院长春应用化学研究所曲晓刚团队利用绿色环保的方法，合成了氧化碳纳米管（o－CNTs），用于模拟天然的过氧化物酶。同时，通过结合理论计算和实验，证明了氧化碳纳米管的酶活性来源于其表面丰富的含氧官能团。其中，氧化碳纳米管表面的羰基是催化过程的活性位点，而羧基和羟基是竞争抑制位点。相比于羟基，羧基对底物具有更强的结合能力，因此对催化反应的抑制程度更强。这种通过和催化位点竞争结合底物而降低催化性能的机制被定义为“竞争抑制作用”。该团队进一步通过化学方法减少表面羧基的数量，进而提高o－CNTs的催化活性。由于o－CNTs在生理条件下能模拟过氧化物酶，催化双氧水产生羟基自由基，该团队结合氧化碳纳米管和极微量的双氧水，用于伤口细菌感染的治疗，避免了由于使用过量双氧水清除细菌而产生的一系列副作用。

【图文导读】

图1 o－CNTs模拟天然过氧化物酶的催化机理

图2 o－CNTs及其衍生物的表征

（a） PH， BA， and BrPE的分子结构式

（b） p－CNTs，o－CNTs，o－CNTs－PH，o－CNTs－BA， o－CNTs－BrPE的TEM图像

（c） p－CNTs，o－CNTs，o－CNTs－PH，o－CNTs－BA， o－CNTs－BrPE的O1s XPS光谱

图3 o－CNTs的酶活性

（a）o－CNTs，p－CNTs的过氧化物酶活性

（b）不同浓度的o－CNTs的过氧化物酶活性

（c）不同温度／pH对o－CNTs酶活性的影响

（d）o－CNTs及其衍生物的酶活性的比较

（e）o－CNTs及其衍生物的酶催化反应活化能示意图

图4 o－CNTs及其衍生物的抗菌效果

图5活体实验

（a） 基于o－CNTs纳米酶治疗伤口感染的示意图

（b） 不同时间点的治疗效果图

（c） 伤口面积随时间的变化图

（d） 不同治疗方案对伤口组织处细菌生长的影响（涂布平板法）

（e） 不同治疗方案对伤口组织处细菌数量的影响（数量统计）

图6伤口处病理学分析

（a） 伤口愈合过程的组织学分析

（b） 皮肤组织愈合过程的免疫组织化学分析

（c） 胶原蛋白形成的定量评价

（d） 血管形成的定量评价

【小结】

使用绿色环保的合成方法，合成了具有高效过氧化物酶活性的o－CNTs，并且结合理论计算和实验，解释了酶活性的机制。同时，将纳米酶用于伤口细菌感染的治疗上，避免了由于使用过量双氧水清除细菌而产生的一系列副作用。