近日，中国科学院长春应用化学研究所任劲松研究员和王欢副研究员等人的AMR述评文章“Site Engineering of Single-Atom Nanozymes: Designing Across Intrinsic Activity, Density, and Accessibility for Biomedical Applications”在线发表。文章系统总结了单原子纳米酶（SAzymes）在位点工程方面的最新研究进展，提出了基于优化位点本征活性、位点密度和位点可及性的三轴设计框架，并展望了其在生物医学领域的广阔应用前景。

关键词：单原子纳米酶；位点工程；位点密度；位点可及性；构效关系

优化单原子纳米酶的结构-活性关系、位点密度和位点可及性，是缩小其与天然酶性能差距、使其真正走向实际应用的关键。

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文章内容简介

单原子纳米酶（SAzymes）凭借其最大化的原子利用率、均一的活性中心以及可调控的电子结构，成为替代天然酶的有力候选者。然而，目前大多数SAzymes的催化活性仍远低于天然酶，这极大地限制了其实际应用。为了理性设计高性能SAzymes，本文章提出了一个全面的“位点工程”框架，涵盖三个相互关联的核心要素：催化位点的结构-活性关系、位点密度和位点可及性。

文章首先综述了通过配位工程、维度调控、功能基团修饰、自旋态调控等策略来提升单个活性位点本征活性的研究进展。随后，文章重点讨论了位点密度和位点可及性这两个同样关键但此前关注较少的参数。文章强调，总金属负载量并不等同于可参与反应的可及位点密度，并详细介绍了两种量化可及位点密度的方法：低温CO吸附-程序升温脱附法和亚硝酸盐吸附-电化学还原剥离法。最后，文章展示了位点工程化的SAzymes在比色检测、抗菌治疗、肿瘤治疗和抗炎治疗等生物医学领域的最新应用，并指出了未来的研究方向，包括提升催化活性和特异性、开发非氧化还原酶模拟体系、设计可生物降解的载体以及整合数据驱动方法等。

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AMR：您选择该领域的初心是？

作者团队：

天然酶是自然界经过亿万年进化出的高性能催化剂，但它们也存在提纯困难、成本高昂、稳定性差等先天不足。自2007年纳米酶概念提出以来，科学家们一直梦想用人工纳米材料来替代天然酶。然而，现实是大多数纳米酶的催化效率远不及天然酶，这让我们深刻意识到，仅仅停留在发现新材料是不够的，必须深入到原子尺度去设计催化剂。单原子纳米酶的出现为我们提供了一个绝佳的契机。它最大的魅力在于，其活性中心是原子级分散且结构均一的，这就像给我们提供了一个极其干净的实验台，让我们能够像研究天然酶活性中心一样，去精准解析每一个原子的催化行为。我们选择这个领域，正是源于一种最朴素的追求：不再满足于黑箱式的材料筛选，而是希望通过位点工程的理性设计，真正揭开单原子催化的神秘面纱，回答“每个位点有多活跃”、“有多少位点”、“多少位点能工作”这三个核心问题，从而为设计出真正媲美甚至超越天然酶的高性能人工酶提供理论基石。这不仅是学术上的挑战，更是推动纳米酶走向临床转化的必经之路。

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AMR：您对这个领域的发展有何愿景？

作者团队：

我们希望未来单原子纳米酶领域能够吸引和培养更多跨学科的人才。通过化学、材料学、物理学和生物医学的深度融合，利用先进的表征手段，深入揭示单原子位点在复杂生物环境中的催化机制。最终，我们期望能够实现从试错到理性设计的跨越，开发出真正能与天然酶媲美、甚至超越天然酶的高性能人工酶，并推动其在临床诊断和疾病治疗中的实际转化。

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AMR：请和大家分享一下这个领域可能会出现的研究机会！

作者团队：

我们认为，未来最具潜力的研究机会主要集中在以下两个方面：一是攻克密度与可及性的协同难题。如何在高金属负载量下防止单原子团聚，同时避免活性位点被埋没在碳载体内部而无法接触底物，开发新型合成策略以实现高位点密度与高可及性的兼得，是突破单原子纳米酶催化性能瓶颈的关键所在；二是拓展非氧化还原酶模拟与可降解载体。跳出当前集中于氧化还原酶的局限，探索水解酶、转移酶、异构酶等更广泛的催化反应类型；同时设计可生物降解或肾脏可清除的载体，解决碳基材料体内代谢难题，是推动临床转化的必经之路。

作者团队简介

任劲松，中国科学院长春应用化学研究所研究员、博士生导师。国家杰出青年科学基金获得者，国家创新人才推进计划中青年科技创新领军人才，科睿唯安全球高被引学者。主要研究方向为小分子对生物分子的识别与调控，抗癌、抗病毒等药物的筛选及作用机制，以及基于生物功能纳米材料及应用，作为课题负责人先后承担了国家自然科学基金（包括重点、杰青和面上），国家973计划等多项科研任务。近年来，在高影响力期刊发表学术论文450余篇，包括Chem. Rev., Chem. Soc. Rev., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater.等。

王欢，中国科学院长春应用化学研究所副研究员。2015年于四川大学获学士学位，2020年于中国科学院长春应用化学研究所获博士学位，师从任劲松研究员。主要从事碳基生物活性材料与碳基纳米酶的设计及其生物医学应用研究。目前以第一/通讯作者身份在Acc. Mater. Res., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., Chem. Sci.等国际学术期刊发表论文40余篇，累计引用＞3300次，研究成果被国际权威媒体《化学与工程新闻》（C&EN）专题报道。入选吉林省青年科技人才托举工程，作为项目负责人主持国家自然科学基金（面上项目/青年科学基金）、吉林省自然科学基金等项目4项。

纪言军，2022年于重庆交通大学获学士学位，现为中国科学院长春应用化学研究所博士研究生，师从任劲松研究员。主要研究方向为碳载单原子纳米酶的位点工程及其高性能生物催化应用。目前以第一作者身份在Acc. Mater. Res., Angew. Chem. Int. Ed.等国际学术期刊发表论文4篇。

赵龙歌，2025年于河南大学获学士学位，现为中国科学院长春应用化学研究所硕士研究生，师从任劲松研究员。主要研究方向为高性能碳载单原子纳米酶的理性设计及其构效关系的机制探究。

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Site Engineering of Single-Atom Nanozymes: Designing Across Intrinsic Activity, Density, and Accessibility for Biomedical Applications

Yanjun Ji☆; Longge Zhao☆; Huan Wang*; Jinsong Ren*

原文链接：

https://pubs.acs.org/amrcda/article/doi/10.1021/accountsmr.6c00185

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