2022年8月13日，天津大学张晓东教授团队在Nature Communications上发表研究成果，发现单原子纳米酶RhN4和VN4的超高生物催化活性，其催化反应亲和力超越天然酶5-20倍，并发现其具有X-O-N4的新型催化活性中心和双侧反应路径;同时克服了天然酶不稳定、易失活性的缺点，其生物催化稳定性能持续数月以上;可以通过调节巨噬细胞等免疫细胞，减少炎症，实现对神经创伤的高效缝合。该成果有望加速神经创伤的早期愈合。

天然酶已经广泛使用于生物医药领域，构建超越天然酶活性的人工酶一直是人们面临的巨大的科学挑战。此外，天然酶拥有较差的催化稳定性、较低的可回收和可重复使用度，往往难以被高效的使用。人工酶工程主要是利用人工的方式在原子和分子水平构建生物催化活性稳定，达到模拟天然酶的目的。单原子纳米酶因为高的生物催化活性和原子水平的精准构筑吸引了广泛的关注。

天津大学张晓东教授团队通过密度泛函理论预测和原子工程精准构建了具有超高生物活性的单原子纳米酶RhN4、VN4和Fe-Cu-N6，研究发现其生物催化反应亲和力是天然酶的5-20倍。RhN4和VN4拥有超高的类过氧化物酶(POD)活性，反应亲和力是天然酶和FeN4的4-5倍。同时，RhN4还拥有超高的类过氧化氢酶(CAT)活性，是天然酶的20倍之多。而VN4结构则表现出超高的类谷胱甘肽过氧化物酶(GPx)活性，是天然酶的7倍之多。通过密度泛函理论研究发现，与传统的FeN4不同，RhN4和VN4拥有完全不同的催化反应机理，它们首先结合单原子O，形成稳定的Rh-O-N4和V-O-N4催化活性中心，然后通过独特的‘双侧’反应路径大幅度降低反应能垒，实现高效的生物催化活性。此外，室温下，天然酶仅拥有6-48小时的催化稳定性，并且难以回收使用，而RhN4，VN4和Fe-Cu-N6单原子纳米酶拥有长达数月的生物催化稳定性，并且可以反复使用数十次没有明显衰减，表明了极高的可重复利用和可回收特性。

生物实验表明，单原子纳米酶RhN4、VN4和Fe-Cu-N6可以用于高效的伤口愈合。传统的伤口缝合线没有生物催化活性，通过单原子纳米酶构建的新型缝合线拥有了各类氧化还原酶活性，通过促进血管内皮生长因子的分泌，调控氧化应激反应，降低伤口的炎症，加速伤口闭合由炎症向组织修复期过渡，实现脑创伤头皮的高效愈合，同时调节巨噬细胞等免疫细胞，抑制小胶质细胞活化，缓解神经创伤的氧化损伤。目前的工作揭示了单原子纳米酶因高催化活性和可重复利用的特性克服了天然酶的固有局限性，成为一种有潜力的酶替代物，可通过构建新型生物器械，进一步拓展其在生物医学中的应用。

上述研究成果以“Single-atom nanozymes catalytically surpassing naturally occurring enzymes as sustained stitching for brain trauma”为题于2022年8月13日在线发表在Nature子刊《Nature Communication》上(https://www.nature.com/articles/s41467-022-32411-z)。该论文的第一单位为天津大学，张晓东教授为该论文的唯一通讯作者，理学院张少芳博士为该论文的第一作者，李永徽副教授和孙思博士为共同第一作者。