作者：Wenjie Zhang, Jiong Zhou*

01 论文信息

论文信息

Wenjie Zhang and Jiong Zhou. In-Insect Synthesis: a novel approach for selective Functionalization of molecular nanocarbons[J].Green Carbon, 2025.

论文网址

https://doi.org/10.1016/j.greenca.2025.10.010

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In-insect synthesis: A novel approach for selective functionalization of molecular nanocarbons

中文解读原链接

Green Carbon评述 | Science：虫内合成-分子纳米碳选择性功能化的新方法

02 背景简介

分子纳米碳材料（如富勒烯、碳纳米带、石墨烯衍生物以及环对苯撑）因其独特的电子、光学和力学性能，在材料科学、电子学和生物医学等领域展现出广泛的应用前景。然而，分子纳米碳通常具有高度共轭的π电子体系、刚性弯曲的分子骨架以及较高的化学惰性，这些特征显著增加了其选择性化学修饰的难度，成为有机合成领域面临的重要挑战之一。尽管过去几十年中纳米碳研究取得了显著进展，但仍存在若干亟待解决的关键问题。其中尤为突出的是两个方面：其一，结构高度均一的分子纳米碳的可控制备仍然十分困难，复杂的有机合成路线严重限制了其规模化制备；其二，如何实现新型纳米碳结构的精准、高效构筑，以满足基础研究和实际应用的需求，仍被视为合成化学中的核心目标之一。

东北大学周炯教授于Green Carbon发表题为“In-Insect Synthesis: A Novel Approach for Selective Functionalization of Molecular Nanocarbons”评述文章，针对名古屋大学Kenichiro Itami教授团队在Science发表文章“In-insect synthesis of oxygen-doped molecular nanocarbons”进行了系统性分析和点评。

03 评述内容

主要内容

名古屋大学Kenichiro Itami教授团队在Science发表的突破性研究报道了一种创新性的“虫内合成（In-insect synthesis）”策略，利用昆虫的外源物代谢体系实现非天然化合物的合成。该方法可将带状或环状等分子纳米碳选择性转化为传统有机合成难以获得的衍生物。

研究人员以斜纹夜蛾（Spodoptera litura）幼虫为模型，在体内实现了亚甲基桥联[6]环对苯撑（[6]MCPP）的氧化转化，在芳香骨架中发生区域选择性的氧原子插入，生成[6]MCPP-oxylene，转化率约为10%。结合RNA测序与差异基因表达分析发现，多种细胞色素P450（CYP）变体在摄入[6]MCPP后显著上调，其中CYPX2、CYPX3和CYPX4表现尤为突出。基于siRNA的基因沉默实验进一步确定CYPX2和CYPX3为主要催化酶。分子动力学模拟显示，[6]MCPP可稳定结合于上述CYP酶的活性位点，为区域选择性氧插入提供了合理的酶-底物相互作用模型。

该策略进一步拓展至不同尺寸与构型的环对苯撑（CPPs）。结果表明，仅[6]CPP能发生类似的氧化反应，而更大尺寸的CPP不具反应性，说明斜纹夜蛾的外源物代谢体系对纳米碳底物具有尺寸选择性。结合计算研究，对[6]MCPP与CYPX3的结合与反应机理进行了系统分析。MD与对接结果表明，两分子[6]MCPP协同结合更为稳定。密度泛函理论计算显示，P450活性物种Cpd-I介导的直接进攻路径优于环氧化路径，[6]MCPP-oxylene在热力学上更稳定，为主要产物。

总结与展望

该研究提出了“虫内合成”这一分子纳米碳选择性官能化的新范式，通过利用昆虫外源代谢体系实现了复杂纳米碳骨架的精准修饰，拓展了功能化纳米碳材料的合成途径，并为绿色合成非天然分子提供了新思路。随着基因编辑与蛋白质工程的发展，未来有望定向设计具有重构活性位点的CYP酶，实现更广泛纳米碳骨架的非经典官能化，推动合成生物学、材料化学与纳米技术的交叉融合。

04 作者简介

周炯 教授

周炯，东北大学教授、博士生导师，Green Carbon青年编委。2019年博士毕业于浙江大学，随后在美国纽约州立大学布法罗分校化学系从事博士后研究。2021年加入东北大学理学院开展独立研究工作，担任教授、博士生导师。主要从事功能导向的超分子化学及智能化学研究。在包括PNAS、Chem、Nat. Commun.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.等期刊发表SCI论文70余篇。所发表论文被引用4700余次，13篇入选ESI高被引论文，4篇入选ESI热点论文，封面论文11篇。应邀为Chem. Soc. Rev.、Coord. Chem. Rev.、Adv. Mater.、Cell Rep. Phys. Sci.等期刊撰写相关研究进展。担任国际先进材料学会会士、国际科学组织Vebleo协会会士、国家“英才计划”导师、东北大学有机超分子材料与应用学科带头人、化学系教授委员会委员。入选全球前2%顶尖科学家（2023年，2024年，2025年）、国际先进材料学会科学家奖、辽宁省化学会“青年化学奖”、沈阳市高层次领军人才、盐城市“黄海明珠人才计划”领军人才、东北大学青年岗位能手、东北大学五四奖章、浙江大学竺可桢奖学金、浙江省优秀毕业生、浙江大学优秀毕业生。担任eScience、Exploration、Chin. Chem. Lett.、Smart Molecules、Carbon Energy、Green Carbon等期刊学术编辑/青年编委，辽宁省细胞生物学学会医用高分子与细胞生物学专业委员会常务理事。在学生培养方面，指导的博士生获得国家奖学金（2023年，2025年），辽宁省优秀毕业生（2025年），入选中国科协青年人才托举工程首批博士生专项计划（2025年），中国科协青年科技人才培育工程博士生专项计划（2025年），第三届中国研究生“双碳”创新与创意大赛全国一等奖（2024年），首届东北大学面向未来科学培养拔尖创新人才计划（学术尖峰01班，2025年），第十二届中国研究生能源装备创新设计大赛全国三等奖（2025年），第四届中国研究生“双碳”创新与创意大赛全国三等奖（2025年）；指导的硕士生获得国家奖学金（2024年）；指导的本科生获得第十九届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛全国金奖（2025年），第十八届全国大学生节能减排社会实践与科技竞赛全国三等奖（2025年），中国国际大学生创新大赛辽宁省金奖（2025），第十九届“挑战杯”辽宁省大学生课外学术科技作品竞赛辽宁省二等奖（2025年），东北大学本科生校级优秀毕业论文（2023年，2024年）。

05 Green Carbon

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