摘要：分子纳米碳（如富勒烯、环对苯撑等）因其独特的结构和性质在材料科学中备受关注，但其选择性功能化一直是合成化学的难题。传统有机化学或体外酶催化方法难以高效制备氧掺杂的分子纳米碳衍生物。

研究背景与意义

分子纳米碳（如富勒烯、环对苯撑等）因其独特的结构和性质在材料科学中备受关注，但其选择性功能化一直是合成化学的难题。传统有机化学或体外酶催化方法难以高效制备氧掺杂的分子纳米碳衍生物。

分子纳米碳

2025年6月5日，名古屋大学Kenichiro Itami教授、Takeshi Yanai教授、Kazuhiro J. Fujimoto教授和Atsushi Usami博士（一作兼通讯）合作，创新性地利用昆虫的解毒代谢系统，通过“昆虫体内合成”（in-insect synthesis）技术，成功将氧原子选择性插入芳香环中，实现了分子纳米碳的精准修饰，为新型功能材料的开发提供了全新思路。相关论文以“In-insect synthesis of oxygen-doped molecular nanocarbons”为题，发表在国际顶尖学术期刊Science 杂志。

给昆虫喂食分子纳米碳，实现氧掺杂！

烟草夜蛾

研究团队选择烟草夜蛾（Spodoptera litura）作为生物反应平台，因其具有丰富的解毒酶系统（如细胞色素P450）。通过喂食甲基桥联[6]环对苯撑（[6]MCPP），昆虫体内代谢将其转化为单一氧掺杂产物[6]MCPP-oxylene，分离产率达9.9%。结构分析显示，氧原子通过断裂苯环间的碳-碳键插入，形成了一种对称性降低的椭圆形结构（图1D）。该产物的荧光量子产率达到0.13，显著优于非荧光性的原始分子。

昆虫内合成技术路线

进一步实验表明，细胞色素P450变体（CYP X2和X3）是这一转化的关键酶。通过RNA干扰技术抑制这些酶的表达后，产物产量显著下降。研究团队还利用大肠杆菌表达系统验证了这些酶的催化功能，证实了其在氧掺杂反应中的核心作用。

扩展应用与机制解析

研究还发现，该技术可拓展至其他分子纳米碳。例如，[6]环对苯撑（[6]CPP）在昆虫体内同样被选择性转化为氧掺杂产物（[6]CPP-oxylene），产率为5.8%。分子动力学模拟和量子化学计算揭示了底物与酶的结合模式及氧插入机制，提出了一种直接攻击路径（图4C），为理解这一非常规反应提供了理论基础。

图4.CYP变体的底物结合和氧掺杂机制。

未来展望

这项研究不仅为分子纳米碳的功能化开辟了新途径，还展示了昆虫作为“天然生物反应器”的潜力。研究团队指出，结合基因组编辑技术和定向进化，未来有望设计更多高效的酶变体，进一步拓展“昆虫体内合成”在非天然产物制备中的应用。

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来源：高分子科学前沿