张晓东团队研究发现，单原子纳米酶RhN₄和VN₄具有超高生物催化活性，其催化反应亲和力超越天然酶5~20倍，并发现其具有新型催化活性中心和双侧反应路径。此外，该纳米酶克服了天然酶不稳定、易失活的缺点，其生物催化稳定性能可持续数月以上。
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科学挑战。此外，天然酶具有较差的催化稳定性、较低的可回收和可重复使用度等热点，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受到广泛关注。
该研究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。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小时~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。他们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。他们还可以通过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。
张晓东表示，单原子纳米酶因高催化活性和可重复利用的特性，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。
