四川
烟草夜蛾是一种臭名昭著的农业害虫，其生命周期短，且代谢农药的能力很强。
近日，来自日本理化学研究所的 Kenichiro Itami（伊丹健一郎）领导的研究人员创新性地利用昆虫的解毒代谢系统，通过昆虫体内合成技术，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。相关研究以题为“In-insect synthesis of oxygen-doped molecular nanocarbons”发表在 Science 期刊。
分子纳米碳是由纯碳原子构成的超微结构。尽管尺寸微小，它们却具备机械强度高、导电性强甚至能发射荧光等特性，因而成为航空航天部件、轻型电池和先进电子器件的理想材料。
然而，制造这类微结构所需的原子级精度仍是其广泛应用的主要障碍。传统实验室技术难以实现原子级别的精确操控来组装这些复杂分子，而其特定结构又使得修饰过程极易破坏分子完整性。
伊丹健一郎的团队长期从事分子纳米碳研究，期间也开发过作用于哺乳动物和植物的分子。“这些经验让我们突发奇想，如果让昆虫摄入纳米碳会发生什么？”
尽管这个想法听起来奇特，却有着坚实的生物学基础。昆虫（特别是蝗虫、毛虫等植食性昆虫）的肠道进化出了精密的异源物质代谢系统，能够分解植物毒素和农药等外来物质，这些代谢过程依赖于可执行复杂化学转化的酶系。
因此，他们提出假说：昆虫可作为“活体化学工厂”，对纳米碳进行实验室难以复现的化学修饰。
为验证这一设想，研究人员最初尝试在研究中使用蚕，但发现他们使用的基质——带状分子纳米碳[6]MCPP 对蚕本身具有毒性。
因此，研究人员以烟草夜蛾幼虫为实验对象。为了进行昆虫体内合成，他们为烟草夜蛾幼虫设计了一种饲料，包括煮熟的芸豆和含有纳米碳基质的琼脂。两天后，虫粪分析发现了一种新型分子 [6]MCPP-氧杂环——即在 [6]MCPP 中嵌入了氧原子的衍生物，这一微妙变化使分子具备了荧光特性。研究人员将这种氧加合物命名为 [6]MCPP-二甲苯。
为了验证氧掺杂究竟是来自肠道细菌、烟草夜蛾体内的酶，还是两者兼而有之，他们以肠道细菌为目标进行了生物转化，但最终发现细菌并未参与其中。相反，他们发现两种细胞色素 P450 酶 CYPX2 和 CYPX3 才是转化的关键。计算机模拟表明，这些酶可以同时稳定地结合两个 [6]MCPP 分子，并将一个氧原子直接插入碳碳键中，生成 [6]MCPP-二甲苯。
这种饲料对于烟草夜蛾无生命危险，因此可以重复使用，但其合成能力后续可能会下降。伊丹健一郎表示，这种方法的主要挑战在于可扩展性。“如果要生产 1 公斤这种分子，我无法想象我们需要什么样的工艺、机器或设备。”
1.Atsushi Usami et al, In-insect synthesis of oxygen-doped molecular nanocarbons, Science (2025). DOI: 10.1126/science.adp9384. www.science.org/doi/10.1126/science.adp9384
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