As nanozimas são nanomateriais catalíticos com características semelhantes às enzimas que têm atraído enorme interesse em pesquisas recentes. Os nanomateriais catalíticos oferecem vantagens únicas de baixo custo, alta estabilidade, atividade catalítica ajustável e facilidade de produção e armazenamento em massa. Essas propriedades são altamente desejáveis ​​para uma ampla gama de aplicações em biossensor, terapêutica de engenharia de tecidos e proteção ambiental. Contudo, as tecnologias de nanozimas convencionais enfrentam desafios críticos em relação ao seu tamanho, composição e catálise dependente de faceta, além da densidade inerentemente baixa do local ativo.

Agora escrevendo em Avanços da Ciência , Liang Huang e colegas de trabalho nos departamentos de Química Eletroanalítica e Física na China detalham a descoberta de uma nova classe de enzimas de átomo único com sítios ativos semelhantes a enzimas atomicamente dispersos em nanomateriais. Os sites aumentaram significativamente o desempenho catalítico das nanozimas de átomo único e os cientistas descobriram seu mecanismo subjacente usando a catálise de oxidase como um modelo de reação experimental ao lado de cálculos teóricos. Eles revelaram as atividades catalíticas e o comportamento de nanozimas de átomo único contendo um nanoframe de carbono (átomo único / nanoframe de carbono:SA / CNF) e FeN confinado ₅ centros ativos (FeN ₅ SA / CNF) para imitar o heme coordenado por ligante axial natural do citocromo P450 para aplicações antibacterianas versáteis. Os resultados sugerem que as nanozimas de átomo único têm grande potencial para se tornarem as nanozimas de última geração para aplicações em nanobiotecnologia.

Desde a descoberta da atividade semelhante à peroxidase das nanopartículas ferromagnéticas em 2007, cientistas desenvolveram várias nanozimas usando materiais como óxidos de metal, metais nobres, materiais de carbono e estruturas metal-orgânicas (MOFs). Contudo, dois desafios contemporâneos permanecem nas tecnologias de nanozimas, onde (1) os sítios ativos de baixa densidade mostraram menor atividade catalítica em comparação com enzimas naturais, e (2) a composição elementar não homogênea pode complicar os mecanismos catalíticos. Devido a esses gargalos, os cientistas descobriram que é um desafio descobrir os locais precisos e a origem da atividade enzimática, restringindo aplicações extensivas de nanozimas convencionais.

No presente trabalho, Huang e colegas de trabalho tiveram como objetivo resolver esses problemas descobrindo uma nova classe de nanozimas de átomo único que incorporam tecnologia de átomo único de última geração para criar sítios ativos semelhantes a enzimas inerentes. Os cientistas mostraram que os centros de metal atomicamente dispersos maximizam a eficiência e a densidade dos sítios ativos na nova arquitetura das nanozimas. Eles usaram a estrutura de coordenação bem definida para fornecer um modelo experimental claro durante as investigações de seu mecanismo de funcionamento. Huang et al. relataram um método eficaz e geral para sintetizar as nanozimas de átomo único altamente ativas, mimetizando as estruturas espaciais de centros ativos em enzimas naturais.

Eles usaram a catálise de oxidase como modelo de reação e completaram cálculos teóricos, bem como estudos experimentais. Os cientistas identificaram a maior atividade semelhante à oxidase do FeN ₅ SA / CNF para resultar através do efeito sinérgico e mecanismo doador de elétrons. De importância, FeN ₅ SA / CNF mostrou mais de 17 a 70 vezes maior atividade semelhante à oxidase em comparação com FeN quadrado planar ₄ catalisador e o Pt / C comercial (catalisador de platina sobre carbono) com teor de metal normalizado. Os resultados explicaram o inesperado efeito de impulso semelhante à oxidase da coordenação axial em FeN ₅ SA / CNF e sua atividade catalítica significativamente melhorada, em comparação com as nanozimas convencionais.

Para sintetizar o FeN ₅ SA / CNF, Huang et al. projetou primeiro uma estrutura hospedeira-hóspede de ftalocianina de ferro encapsulada em estrutura orgânica de metal (MOF) (FePc:FePc @ Zn-MOF). Esta estrutura pode hospedar diversos metais para substituir a ftalocianina de ferro (FePc) em experimentos posteriores como MPc, onde M variava de manganês (MnPc), níquel (NiPc), cobre (CuPc) em cobalto (CoPc) e pirolisou o precursor em 900 ⁰ C sob gás nitrogênio para obter as nanozimas de átomo único.

Os cientistas já haviam demonstrado que FeN quadrada planar ₄ os locais seriam retidos durante as reações de calcinação de ferro porfirina e FePc (ferro ftalocianina), mas na ausência de suporte, os locais monodispersos aglomerados em nanopartículas. No presente processo sintético, portanto, os cientistas isolaram o FeN ₄ locais confinados nos nanoframes de carbono e os coordenou com o substrato de nitrogênio piridínico (N) para gerar o FeN mais termodinâmico e estável ₅ / C sites.

Os cientistas então caracterizaram a morfologia e a estrutura do FeN ₅ SA / CNF usando microscopia eletrônica de varredura (SEM) e microscopia eletrônica de transmissão (TEM) para revelar o FePc @ Zn-MOF fusiforme como um produto dominante com morfologia uniforme. Eles observaram que as cavidades ocas e as conchas porosas dotavam o substrato de altas áreas de superfície específicas e abundantes nanoporos hierárquicos.

Os padrões de difração de raios-X (XRD) indicaram que a estrutura cristalina de Zn-MOF não sofreu alterações significativas após encapsular FePc in situ, enquanto o espectro infravermelho da transformada de Fourier (FTIR) de FePc @ Zn-MOF verificou o encapsulamento bem-sucedido de FePc. Então, usando o mapeamento de espectroscopia de perda de energia de elétrons, os cientistas mostraram que os átomos de Fe e N foram homogeneamente distribuídos por todo o domínio, indicando a geração de locais Fe-N em matrizes 3-D.

Huang et al. analisou a estrutura atômica do FeN ₅ SA / CNF para mostrar que o número de coordenação do átomo de Fe era quase cinco - para confirmar a formação de cinco Fe-N ₅ metades. Para entender a estrutura subjacente aos mecanismos catalíticos, os cientistas também usaram a espectroscopia Mössbauer (usada para determinar o estado de oxidação do ferro) e investigaram a estrutura do elétron e a coordenação do ferro (Fe). Eles então determinaram as atividades semelhantes à oxidase de FeN ₅ SA / CNF usando ensaios colorimétricos e usou a oxidação de TMB (3, 3, 5, 5-tetrametilbenzidina) como um modelo de reação catalítica para entender a interação das moléculas de oxigênio com FeN ₅ SA / CNF em vários ambientes.

Os resultados mostraram a intensa atividade catalítica do FeN. ₅ SA / CNF durante a redução do oxigênio e os cientistas atribuíram a taxa de oxidação do TMB à concentração de oxigênio. Huang et al. em seguida, estudou comparativamente as atividades semelhantes à oxidase de FeN ₅ SA / CNF vs. MN ₅ SA / CNF, onde substituíram M por diferentes metais de Mn, Fe, Co, Ni e Cu. Eles mostraram a taxa catalítica de FeN ₅ SA / CNF deve ser o mais alto (17 pedidos acima de FeN ₄ SA / CNF) por meio de mudanças de cores distintas ao longo do tempo.

Quando Huang et al. comparou a atividade enzimática com enzimas convencionais usadas anteriormente, eles observaram que FeN ₅ SA / CNF manteve atividade semelhante à oxidase comparativamente superior. De importância, a taxa catalítica das novas nanozimas foi 70 vezes maior do que a Pt / C comercial. Com base nos resultados experimentais, os cientistas validaram que mecanicamente o átomo de metal central e a estrutura axial de cinco N-coordenada eram importantes para as atividades superiores de oxidase de nanozimas de um único átomo.

Como uma aplicação prática da atividade catalítica de alta oxidação, as nanozimas de átomo único de FeN ₅ SA / CNF pode gerar espécies reativas de oxigênio durante a redução catalítica de oxigênio, que pode prejudicar a membrana das bactérias para ações antibacterianas eficazes. Para avaliar a atividade antibacteriana, Huang et al. conduziram experimentos in vitro e detectaram as taxas de sobrevivência de Escherichia coli e Staphylococcus aureus células em exposição às nanozimas. Em comparação com um grupo de controle, os cientistas observaram taxas de sobrevivência bacteriana marcadamente reduzidas; substanciando atividades semelhantes a alta oxidase de FeN ₅ SA / CNF para atividade antibacteriana significativa.

Based on the in vitro experimental outcomes, the scientists next conducted in vivo antibacterial studies using the new nanozymes. Por esta, 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. Como antes, Huang et al. credited the results to the architecture of atomically dispersed FeN ₅ sites, 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. Por esta, 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. Deste modo, 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 this way. 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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