I nanoenzimi sono nanomateriali catalitici con caratteristiche simili agli enzimi che hanno suscitato un enorme interesse di ricerca recente. I nanomateriali catalitici offrono vantaggi unici di basso costo, elevata stabilità, attività catalitica sintonizzabile e facilità di produzione e stoccaggio di massa. Queste proprietà sono altamente desiderabili per un'ampia gamma di applicazioni nel biorilevamento, terapie di ingegneria tissutale e protezione ambientale. Però, le tecnologie nanozimatiche convenzionali affrontano sfide critiche relative alle loro dimensioni, composizione e catalisi sfaccettata, oltre alla densità di siti attivi intrinsecamente bassa.

Ora scrivendo Progressi scientifici , Liang Huang e colleghi dei dipartimenti di Chimica Elettroanalitica e Fisica in Cina descrivono in dettaglio la scoperta di una nuova classe di enzimi a singolo atomo con siti attivi simili a enzimi dispersi atomicamente nei nanomateriali. I siti hanno notevolmente migliorato le prestazioni catalitiche dei nanozimi a singolo atomo e gli scienziati hanno scoperto il loro meccanismo sottostante utilizzando la catalisi ossidasi come reazione sperimentale modello insieme a calcoli teorici. Hanno rivelato le attività catalitiche e il comportamento dei nanozimi a singolo atomo contenenti un nanoframe di carbonio (singolo atomo/nanoframe di carbonio:SA/CNF) e FeN confinato ₅ centri attivi (FeN ₅ SA/CNF) per imitare l'eme coordinato dal ligando assiale naturale del citocromo P450 per applicazioni antibatteriche versatili. I risultati suggeriscono che i nanozimi a singolo atomo hanno un grande potenziale per diventare i nanozimi di prossima generazione per applicazioni nella nanobiotecnologia.

Dalla scoperta dell'attività simile alla perossidasi delle nanoparticelle ferromagnetiche nel 2007, gli scienziati hanno progettato vari nanozimi utilizzando materiali come ossidi metallici, metalli nobili, materiali in carbonio e strutture metallo-organiche (MOF). Però, rimangono due sfide contemporanee nelle tecnologie dei nanozimi, dove (1) i siti attivi a bassa densità hanno mostrato un'attività catalitica inferiore rispetto agli enzimi naturali, e (2) la composizione elementare disomogenea potrebbe complicare i meccanismi catalitici. A causa di questi colli di bottiglia, gli scienziati hanno trovato difficile scoprire i siti precisi e l'origine dell'attività enzimatica, limitando le applicazioni estese dei nanozimi convenzionali.

Nel presente lavoro, Huang e collaboratori miravano a risolvere questi problemi scoprendo una nuova classe di nanozimi a singolo atomo che incorporavano una tecnologia all'avanguardia a singolo atomo per progettare siti attivi simili a enzimi intrinseci. Gli scienziati hanno dimostrato che i centri metallici dispersi atomicamente massimizzano l'efficienza e la densità dei siti attivi nella nuova architettura dei nanozimi. Hanno usato la struttura di coordinamento ben definita per fornire un chiaro modello sperimentale durante le indagini sul suo meccanismo di funzionamento. Huang et al. hanno riportato un metodo efficace e generale per sintetizzare i nanozimi a singolo atomo altamente attivi imitando le strutture spaziali dei centri attivi negli enzimi naturali.

Hanno usato la catalisi ossidasi come reazione modello e hanno completato calcoli teorici e studi sperimentali. Gli scienziati hanno identificato la più alta attività simile all'ossidasi di FeN ₅ SA/CNF per risultare tramite l'effetto sinergico e il meccanismo di donatore di elettroni. Di nota, FeN ₅ SA/CNF ha mostrato un'attività ossidasi-simile da 17 a 70 volte superiore rispetto al FeN . planare quadrato ₄ catalizzatore e il commerciale Pt/C (catalizzatore platino su carbonio) con contenuto di metallo normalizzato. I risultati hanno spiegato l'inaspettato effetto di spinta simile all'ossidasi della coordinazione assiale in FeN ₅ SA/CNF e la sua attività catalitica significativamente potenziata, rispetto ai nanozimi convenzionali.

Per sintetizzare il FeN ₅ SA/CNF, Huang et al. ha progettato per la prima volta una struttura host-guest di ftalocianina di ferro incapsulata in una struttura metallo-organica (MOF) (FePc:FePc@Zn-MOF). Questa struttura potrebbe ospitare diversi metalli per sostituire la ftalocianina di ferro (FePc) in esperimenti successivi come MPc dove M variava da manganese (MnPc), nichel (NiPc), rame (CuPc) in cobalto (CoPc) e pirolizzò il precursore a 900 ⁰ C sotto azoto per ottenere i nanoenzimi a singolo atomo.

Gli scienziati avevano precedentemente dimostrato che FeN . planare quadrato ₄ i siti verrebbero trattenuti durante le reazioni di calcinazione della porfirina di ferro e del FePc (ferro ftalocianina), ma in assenza di supporto, i siti monodispersi agglomerati in nanoparticelle. Nel presente processo sintetico quindi, gli scienziati hanno isolato il FeN ₄ siti confinati nei nanoframe di carbonio e coordinati con il substrato di azoto piridinico (N) per generare il FeN più termodinamico e stabile ₅ /C siti.

Gli scienziati hanno quindi caratterizzato la morfologia e la struttura di FeN ₅ SA/CNF utilizzando la microscopia elettronica a scansione (SEM) e la microscopia elettronica a trasmissione (TEM) per rivelare il FePc@Zn-MOF fusiforme come prodotto dominante con morfologia uniforme. Hanno osservato che le cavità cave ei gusci porosi hanno dotato il substrato di aree superficiali specifiche elevate e abbondanti nanopori gerarchici.

I modelli di diffrazione dei raggi X (XRD) hanno indicato che la struttura cristallina di Zn-MOF non ha subito cambiamenti significativi dopo l'incapsulamento di FePc in situ, mentre lo spettro infrarosso in trasformata di Fourier (FTIR) di FePc@Zn-MOF ha verificato il successo dell'incapsulamento di FePc. Quindi, utilizzando la mappatura spettroscopica della perdita di energia degli elettroni, gli scienziati hanno dimostrato che gli atomi di Fe e N erano distribuiti omogeneamente in tutto il dominio, indicando la generazione di siti Fe-N in matrici 3-D.

Huang et al. ha analizzato la struttura atomica di FeN ₅ SA/CNF per dimostrare che il numero di coordinazione dell'atomo di Fe era quasi cinque – per confermare la formazione di cinque Fe-N ₅ porzioni. Per comprendere la struttura alla base dei meccanismi catalitici, gli scienziati hanno anche utilizzato la spettroscopia Mössbauer (utilizzata per determinare lo stato di ossidazione del ferro) e hanno studiato la struttura elettronica e la coordinazione del ferro (Fe). Hanno quindi determinato le attività simili all'ossidasi di FeN ₅ SA/CNF utilizzando saggi colorimetrici e utilizzato l'ossidazione di TMB (3, 3, 5, 5-tetrametilbenzidina) come reazione catalitica modello per comprendere l'interazione delle molecole di ossigeno con FeN ₅ SA/CNF in vari ambienti.

I risultati hanno mostrato l'intensa attività catalitica di FeN ₅ SA/CNF durante la riduzione dell'ossigeno e gli scienziati hanno attribuito il tasso di ossidazione del TMB alla concentrazione di ossigeno. Huang et al. poi studiato comparativamente le attività ossidasi-simili di FeN ₅ SA/CNF contro MN ₅ SA/CNF dove hanno sostituito M con diversi metalli di Mn, Fe, Co, Ni e Cu. Hanno mostrato il tasso catalitico di FeN ₅ SA/CNF sarà il più alto (17 ordini superiori a FeN ₄ SA/CNF) tramite distinti cambiamenti di colore nel tempo.

Quando Huang et al. confrontato l'attività enzimatica con gli enzimi convenzionali utilizzati in precedenza, hanno osservato che FeN ₅ SA/CNF ha mantenuto un'attività simile all'ossidasi relativamente superiore. Di nota, il tasso catalitico dei nuovi nanozimi era 70 volte maggiore del Pt/C commerciale. Sulla base dei risultati sperimentali, gli scienziati hanno convalidato che meccanicamente l'atomo di metallo centrale e la struttura assiale coordinata a cinque N erano importanti per le attività superiori simili all'ossidasi dei nanozimi a singolo atomo.

Come applicazione pratica dell'attività catalitica ad alta ossidazione, i nanozimi a singolo atomo di FeN ₅ SA/CNF potrebbe generare specie reattive dell'ossigeno durante la riduzione catalitica dell'ossigeno, che possono compromettere la membrana dei batteri per un'efficace azione antibatterica. Per valutare l'attività antibatterica, Huang et al. condotto esperimenti in vitro e rilevato i tassi di sopravvivenza di Escherichia coli e Staphylococcus aureus cellule esposte ai nanozimi. Rispetto ad un gruppo di controllo, gli scienziati hanno osservato tassi di sopravvivenza batterica notevolmente ridotti; comprovante attività simili all'ossidasi di FeN ₅ SA/CNF per una significativa attività antibatterica.

Based on the in vitro experimental outcomes, the scientists next conducted in vivo antibacterial studies using the new nanozymes. Per questo, they used a wound infection model of mice to understand the antibacterial efficacy of FeN ₅ SA/CNF. After 4-days of infecting a wound site with E. coli followed by nanozyme therapy, Huang et al. observed the clear remission of ulceration and accelerated wound healing in the treatment group.

The scientists verified the in vivo healing process using histopathology studies of the wounded tissue stained with hematoxylin and eosin. The results showed that keratinocytes migrated to the wound site from the normal tissue, to thicken the epidermis after treatment, confirming a highly biocompatible bacterial nanozyme. Come prima, Huang et al. credited the results to the architecture of atomically dispersed FeN ₅ siti, as actual active centers in these catalysts.

To determine the precise origin of the enhanced oxidase-like activity of the FeN ₅ SA/CNF using theoretical calculations, Huang et al. performed density functional theory (DFT) calculations. Per questo, they used the oxygen molecular reduction process of single-atom metal sites, with TMB molecules as the reducing agent in acidic conditions. The scientists showed that compared with the starting square planar FeN ₄ SA/CNF, the axial-coordinated N atom used to form FeN ₅ SA/CNF provided a strong push effect in the nanozymes architecture; to activate the oxygen molecule and cleave the O-O bond. This process promoted the oxidative capacity of the single atom nanozymes, to acquire acidic hydrogens from substrates such as TMB, while oxidizing them. Thereby, based on the DFT calculations, Huang et al. unmistakably credited the origin of the superior oxidase-like activity to the central metal atom and the steric configurations of single-atom nanozymes.

In questo modo. Huang and colleagues reported the discovery of a new class of single-atom nanozymes with atomically dispersed enzyme-like active sites in nanomaterials. The new nanozymes showed significantly superior catalytic performance compared with conventional nanozymes in the lab. The observations resulted in uncovering their underlying mechanism during the study, using oxidase catalysis as a model reaction. Using both experimental studies and theoretical calculations, the scientists revealed the electron-push effect mechanism crucial to endow FeN ₅ SA/CNF with the characteristically superior oxidase-like activity, compared to other nanozymes. This led to efficient bactericidal investigations and wound disinfection in vitro and in vivo. The scientists present a new perspective to the catalytic mechanisms and rational design of nanozymes to exhibit great potential and predict the origin of a next-generation nanozyme.

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