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Single Atoms Functioning as Catalysts Inside Living Matter

催化作用 材料科学 再分配(选举) 生物 氧化还原 化学物理 纳米技术 猝灭(荧光) 非生物成分 活细胞 荧光 量子 细胞质 石墨烯 黄素组 生命系统 量子点 细胞内 载流子 半导体 光化学 功能(生物学) 化学 色散(光学)
作者
Xue Zhou,Tianhang Feng,Zhiquan An,Zimeng Huang,Yingjie Zhang,Zhonghai Zhang
出处
期刊:Advanced Materials [Wiley]
卷期号:: e74564-e74564
标识
DOI:10.1002/adma.74564
摘要

ABSTRACT Single‐atom catalysts represent the ultimate limit of materials miniaturization, yet their functionality has been confined to well‐defined abiotic environments. Whether atomically dispersed metal centers can preserve catalytic identity within the chemically crowded, dynamically regulated milieu of living matter remains unknown. Here we show that Fe–N x single atoms embedded in graphene quantum dots operate as catalytic entities inside the cytoplasm of bacteria. Following cellular internalization, these isolated sites establish a light‐driven intracellular redox cycle that accelerates NADH oxidation while maintaining cellular viability. Time‐resolved fluorescence measurements reveal pronounced excited‐state quenching in the biohybrid, supporting close material–cell coupling and light‐driven charge consumption within the cellular environment. The resulting perturbation propagates through endogenous biochemical networks, producing a programmable redistribution of reducing equivalents and enhanced succinate biosynthesis without genetic modification. Structural analyses confirm that atomic dispersion of Fe centers is preserved under biological conditions. These findings demonstrate that atomically defined materials can function within living systems while retaining both structural integrity and catalytic activity, thereby extending single‐atom catalysis from abiotic interfaces to biological environments. Living matter thus emerges as a viable reaction field for atomic‐scale materials, opening opportunities for designing functional materials capable of operating within complex biological settings.
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