纳米钙钛矿模拟过氧化物酶分子机理

Nanozymes are the nanomaterials with enzyme mimicking activities. Thanks to their low costs and high stabilities, they are considered as the next generation of enzyme mimics. Our recent research indicates that perovskite nanomaterials have intrinsic peroxidase-mimicking activities. The occupation of the eg orbitals, which are derived from the degeneration of the d orbitals, of the transition metal in perovskites can be used as an effective descriptor for its peroxidase activities. However the chemical essence behand the descriptor needs to be explained further. Thanks to the large viabilities in chemical compositions and properties, perovskite materials can serve as the ideal models to study the mechanisms and kinetics of biological and medical nanocatalysis. Therefore, we will use a series of perovskite structures with similar chemical compositions but continuously changing eg occupation as the models, systematically study the mechanisms responsible for the peroxidase-mimicking properties. The contribution of the eg orbitals to the energy barrier for the rate-determining step will be calculated to summarize the quantitative structure-activity relationship between eg occupation and peroxidase activity. The results will for the first time depict the mechanisms for the peroxidase-mimicking activities of perovskite materials and reveal the chemical essence for eg occupation as an effective descriptor, which will provide guidelines to the rational design and synthesis of perovskite-based nanozymes in the future.

纳米酶是指具有模拟天然酶催化功能的纳米材料，因价格低廉、稳定性高，被认为是下一代模拟酶。申请人最近合作研究表明，纳米钙钛矿具有模拟过氧化物酶活性，且活性大小与材料中特定金属离子d轨道在八面体场中能量分裂形成的eg轨道的电子占据数密切相关。然而其催化机理和活性eg依赖性的化学本质仍不清楚。钙钛矿材料种类丰富，为系统研究纳米材料类酶催化的构效关系提供了理想研究模型。为此，申请人拟选择化学组成相似，eg电子数连续变化的系列钙钛矿材料为模型，系统研究其模拟过氧化物酶活性的分子机制，计算金属离子eg轨道对反应决速步能垒的贡献，归纳eg轨道贡献与催化活性间的定量构效关系。研究结果将首次预测钙钛矿纳米材料类过氧化物酶活性分子机制，阐明eg电子数可用作该类材料类过氧化物酶活性大小描述符的化学本质，评价eg描述符的适用范围，并有望以此为突破口发展更具普适性的描述符，为纳米酶的理性设计和应用提供理论指导。

具有模拟天然酶催化功能的纳米材料，即纳米酶，在活细胞中可驱动活性氧发生化学催化反应，从而激活细胞信号和应答反应，以此为基础发展生物医学应用已成为重要的交叉研究领域。其中，类过氧化物纳米酶能将氧化性较低的H2O2活化为高氧化性的HO·或单原子氧，在生物传感、免疫测定和肿瘤治疗领域具有重要应用前景。本项目针对“在分子水平研究过氧化物纳米酶的催化机制，建立催化活性与纳米材料组成、结构间定量构效关系，发展可用于过氧化物纳米酶理性设计和优化的活性描述符”这一关键科学问题，用计算模拟与实验验证相结合的方法研究了钙钛矿、尖晶石及碳基纳米材料模拟过氧化物酶的分子机理，概括了纳米材料活化H2O2的理论模型，并基于此设计了纳米酶前药系统用于肿瘤催化治疗的新策略。明确提出纳米材料活化和歧化H2O2的活性描述符及活性范围，用机器学习算法开发了纳米化疗材料的高效人工智能筛选技术，建立了首个纳米酶吸附能数据库。取得以下关键数据：.1. 预测活化 H2O2 催化活性的物理描述符为 Eads,OH，活性区间为 −3.50 eV < Eads,OH < − 1.60 eV。.2. 预测歧化 H2O2 催化活性的物理描述符为 Eads,OH 和 Eads,H，活性区间为−2.83 eV < Eads,OH < − 1.47 eV和−4.38 eV < Eads,H < − 3.01 eV。.3. 开发了计算机程序用于预测二维纳米材料 Eads,OH 和 Eads,H。.4. 建立了纳米酶吸附能数据库，包含四千余种二维纳米材料表面 Eads,OH 和 Eads,H 吸附能数据。..研究成果为系统理解纳米材料活化和歧化 H2O2 活性提供了理论依据，为纳米材料化学动力学疗法的理性设计奠定了理论基础。突破了实验试错法代价高、效率低的痛点，为纳米化疗药物建立了智能设计技术，有望加速纳米药物的开发和应用。