研究背景
分子納米碳是一類由碳原子構成的納米級環狀或帶狀結構材料，因其獨特的電子、光學及機械性能，廣泛應用于納米電子器件、功能材料和催化等領域。與傳統的碳材料相比，分子納米碳具有結構可控性高、功能化潛力大等優點，能夠實現精確的分子設計與調控。
然而，這類材料在有機合成中選擇性官能化困難，尤其是氧原子的引入和功能化過程復雜，限制了其廣泛應用和性能提升，帶來了合成和修飾的重大挑戰。
為克服這一根本性問題，名古屋大學Kenichiro Itami教授、Takeshi Yanai教授、Kazuhiro J. Fujimoto教授、Atsushi Usami等人合作在Science期刊上發表了題為“In-insect synthesis of oxygen-doped molecular nanocarbons”的最新論文。該團隊以煙青蟲（Spodoptera litura）為“天然反應器”，首次實現了碳納米環和納米帶等分子納米碳的選擇性氧原子插入轉化。通過喂食亞甲基橋聯的[6]環對苯撐（[6]MCPP）和[6]環對苯撐（[6]CPP）等底物，煙青蟲能夠利用其體內豐富的細胞色素P450酶系，將氧原子插入芳香環之間的碳–碳鍵，生成罕見的氧代二甲苯衍生物，產率達到約10%。
利用分子動力學模擬和量子化學計算，團隊揭示了底物在細胞色素P450酶中的結合模式及其氧摻雜的非傳統機制，表明昆蟲的外源代謝系統具備催化復雜有機分子結構改造的潛力。
這種“體內非天然產物合成”方法不僅突破了傳統有機合成難以實現的氧原子插入反應，也為分子納米碳的功能化提供了一條創新路徑，極大拓展了其在材料科學和合成化學中的應用前景。該研究為利用生物體復雜酶系進行高效、選擇性分子改造開辟了新思路，展現了昆蟲代謝在綠色合成和功能材料制備中的巨大潛力。
研究亮點
（1）實驗首次利用煙青蟲（Spodoptera litura）的外源代謝系統，實現了碳納米環和碳納米帶等分子納米碳的體內轉化，成功將氧原子插入芳香環結構中，合成出難以通過傳統有機合成方法制備的氧化衍生物，如氧代二甲苯衍生物，產率約為10%。
（2）實驗通過將多種分子納米碳，包括亞甲基橋聯的[6]環對苯撐和[6]環對苯撐等喂食給煙青蟲，發現僅煙青蟲能夠存活并完成此轉化，排泄物分析證實了其轉化產物。結合分子動力學模擬與量子化學計算，揭示了底物與細胞色素P450變體酶的結合模式，提出了一種非傳統的碳–碳鍵直接插氧機制。
圖文解讀
圖1. 分子納米碳在煙青蟲體內的轉化過程。
圖2. 煙青蟲體內合成 [6]MCPP-氧代二甲苯的反應機制解析。
圖3. [6]環對苯撐（[6]CPP）在煙青蟲體內的轉化過程。
圖4. 底物與細胞色素P450變體的結合及氧摻雜機制。
結論展望
本研究首次將昆蟲體內的外源代謝系統作為“活體反應器”，實現了對復雜分子納米碳結構的精準官能化，突破了傳統有機合成和體外酶催化在選擇性和效率方面的限制。通過引入“體內合成”理念，研究者不僅拓展了功能性納米碳材料的制備手段，也為非天然分子的綠色合成提供了新范式。更重要的是，該工作揭示了細胞色素 P450 酶變體在催化碳–碳鍵直接插氧中的關鍵作用，結合分子模擬與酶工程的發展，未來可通過定向進化和基因編輯進一步擴展其催化范圍。這一思路為在更廣泛的生物體系中實現非天然分子的定制合成打開了大門，推動了合成生物學、材料化學與納米技術的交叉融合，為綠色化學和可持續合成提供了新的策略。
原文詳情：
Atsushi Usami et al. ,In-insect synthesis of oxygen-doped molecular nanocarbons.Science388,1055-1061(2025).
DOI:10.1126/science.adp9384
