范克龙研究组与合作者开发自旋工程纳米酶实现木质素生物质转化与可持续粘合剂生产

　　木质素是自然界中储量最丰富的可再生芳香族聚合物，也是植物细胞壁的核心结构成分。将其转化为高附加值化学品或材料，对于生物质高值化利用及可持续发展具有重要意义。然而，天然木质素结构复杂且顽固，传统的化学降解方法往往条件苛刻、能耗高且选择性差。基于天然漆酶的生物催化策略虽然反应温和，但受限于酶的稳定性差、成本高及难以回收等问题。纳米酶作为一种具有类酶催化活性的纳米材料，兼具天然酶的高效性和纳米材料的稳定性，为木质素的绿色降解提供了极具潜力的新途径。

　　实现纳米酶对天然酶功能的高效模拟，关键在于对其活性中心电子结构的精准调控。天然漆酶的高催化活性源于其活性中心不同自旋态铜离子（T1、T2、T3位点）的协同作用。然而，如何在纳米尺度上精确模拟这种复杂的多自旋态耦合机制，并克服催化活性与选择性之间的权衡难题，一直是纳米酶设计领域的巨大挑战。同时，如何将木质素降解产物高效转化为高性能、无甲醛的绿色粘合剂，也是生物质利用领域亟待解决的实际应用问题。

　　2025年11月26日，中国科学院生物物理研究所范克龙研究团队、西安交通大学张明真研究团队及合作者在《Advanced Materials》发表了题为"A Spin-Engineered Nanozyme Overcomes the Activity-Selectivity Trade-Off for Sustainable Adhesive Production from Lignin Biomass Conversion"的研究论文。该研究受天然漆酶多铜活性中心的启发，提出了一种"自旋工程"策略，通过精准调控二维金属有机框架（MOF）纳米酶中铜的自旋态，成功打破了活性与选择性的制约关系，实现了木质素的高效定向降解，并据此开发出一种高性能、环保的木质素基环氧粘合剂。

　　研究团队首先制备了二维铜基MOF（COHB），并利用氧化还原处理（如抗坏血酸LA）和配体交换（如乙酸根-OAC）策略，构建了一系列具有不同铜自旋态的纳米酶衍生物。结合密度泛函理论计算与电子顺磁共振等实验表征，研究揭示了铜自旋磁矩与漆酶样活性之间呈现显著的"火山型"构效关系。优化后的最佳纳米酶（COHBLO）成功模拟了天然漆酶的多自旋协同催化机制，其最大反应速率是天然漆酶的70倍，比活力提升了5.14倍。

图：自旋工程纳米酶的设计及其在木质素降解与绿色粘合剂制备中的应用示意图

　　研究团队进一步开发了从木质素降解到粘合剂制备的一体化路径。利用COHBLO降解产生的富含活性酚羟基的木质素片段作为原料，与环氧源（甘油三缩水甘油醚）发生亲核开环加成反应，制备出了具有致密交联网络结构的木质素基环氧粘合剂（CTLA）。实验结果表明，该粘合剂在木材粘接中表现出优异的机械性能，其剪切强度显著优于商业化酚醛树脂和环氧树脂，且完全无甲醛释放。此外，CTLA还表现出卓越的耐水、耐溶剂、耐极端温度及阻燃性能。

　　该研究不仅验证了通过"自旋工程"调控纳米酶活性的可行性，为高效纳米酶的理性设计提供了新视角，更为木质素的高值化利用和绿色、高性能木材粘合剂的开发提供了一条具有重要转化潜力的技术路线。

　　中国科学院生物物理研究所范克龙研究员、西安交通大学张明真教授与四川大学王碧兰副教授为该论文的共同通讯作者。中国科学院生物物理研究所博士生于懿鑫为第一作者。该研究工作得到中国科学院稳定支持基础研究领域青年团队计划的经费支持。

　　文章链接：

　　https://doi.org/10.1002/adma.202517928

（供稿：范克龙研究组）