近日西北工业大学生命学院张连兵教授团队在国际知名期刊《Advanced Science》上发表题为“High-spin States of Manganese(III) Enable Robust Cold-adapted Activity of MnO2 Nanozymes”的研究论文。受天然氧化酶借助高自旋态过渡金属实现温和高效氧化反应的启发，以锰氧化物为材料模型，通过价态与自旋态的调控，成功构建出在-20-45℃宽温域具有稳定催化性能的MnO2适冷纳米酶。
适冷酶是一类能在0℃甚至更低温度高效催化反应的天然酶，在食品、医药、环境等领域具有巨大的应用潜力。然而，其热稳定性极差，且传统生物化学手段难以在常温实现可靠地分离纯化，导致在实际应用中颇为受限。纳米酶是新一代的人工酶，相较于天然酶具有稳定、设计性与调控性强，易批量制备等优势。团队前期以金属有机框架材料为平台，通过模拟适冷酶柔性构象关键结构因子，开发出首个具有优异适冷性能的人工适冷酶nMnBTC（Adv. Mater, 2024, 36(10), 2206421）。
然而，目前大部分纳米酶为不具备柔性构象的无机金属/金属氧化物。鉴于此，团队仿照天然氧化酶高自旋态过渡金属M-O键为结构模型，通过锰氧化物价态与氧空位等结构因子调谐，成功开发出ε-MnO2适冷纳米酶，该纳米酶在-20-45oC的宽温域展现出稳定高效的低温催化活性。结合先进技术表征以及理论计算，确定了高自旋态Mn(III)协同姜-泰勒效应是ε-MnO2低温催化的关键，能有效降低反应能垒并促进氧气在低温下的活化与脱附 （图1）。基于此，发展出玉米秸秆低温降解的适冷纳米酶新策略，在0oC的低温条件下对秸秆仍表现出高效的解聚性能。该工作是适冷纳米酶研究理论与材料体系的丰富与深化，充分展示出纳米酶超越天然酶的优势，为低温生物质利用和低温催化提供新的材料和技术手段。
图1：三价锰自旋态与MnO2纳米酶适冷性能之间的关系
西北工业大学生命学院博士后田庆为文章的第一作者，张连兵教授、陈耀副教授和中国科学院生物物理所范克龙研究员为文章的共同通讯作者。上述研究工作得到国家自然科学基金、中央高校基本科研业务费、中原纳米酶实验室以及中国科学院稳定支持青年团队等项目的支持。论文链接：https://doi.org/10.1002/advs.202415477
文：田庆；审核：杨慧
