納米酶的研究及應(yīng)用進展

吳 坤

華南農(nóng)業(yè)大學(xué)動物科學(xué)學(xué)院，廣東 廣州 510630

1 納米酶的概述

1.1 納米酶的發(fā)現(xiàn)與發(fā)展

我國科學(xué)家在跨學(xué)科合作的基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn)了一種納米酶。閻錫蘊團隊首次從酶學(xué)角度深入研究了無機納米材料在催化過程中的效率、機制和反應(yīng)動力學(xué)，并將其與天然酶進行了系統(tǒng)的比較。他們將這種無機納米材料命名為“納米酶”。汪爾康團隊將其英文名稱定為“Nanozyme”。這一發(fā)現(xiàn)標(biāo)志著新一代人工酶——納米酶的誕生[1]。

在有關(guān)納米酶的研究中，概念的不斷完善和新型材料的不斷涌現(xiàn)是兩大重要趨勢。隨著研究的深入，發(fā)現(xiàn)了細(xì)胞內(nèi)的鐵蛋白和磁細(xì)菌的磁小體。我國科學(xué)家開發(fā)了用于研究納米酶催化活性的方法，創(chuàng)立了納米酶術(shù)語和標(biāo)準(zhǔn)化體系，解析了納米酶的構(gòu)效關(guān)系，使納米酶的催化活性提高了10 000 倍，實現(xiàn)了理性設(shè)計，并創(chuàng)造了全球首個納米酶產(chǎn)品——納米酶檢測試紙條，為納米酶領(lǐng)域的發(fā)展做出了重要的貢獻(xiàn)[2]。同時，自2007年首例納米酶被報道以來，相關(guān)論文的出版數(shù)量逐年增多，科學(xué)家對納米酶的關(guān)注度逐漸上升。

1.2 納米酶的分類

按照納米酶的催化類型分類，目前納米酶發(fā)展到了四種類型——水解納米酶、異構(gòu)納米酶、氧化還原納米酶和裂合納米酶。合成酶和轉(zhuǎn)移酶這兩種類型的酶仍有待進一步研究。

圖1 相關(guān)論文出版數(shù)量逐年增多，原始相關(guān)論文是中國百年（1919～2019）百篇高被引論文之一（數(shù)據(jù)庫：Web of Science；檢索關(guān)鍵詞：Nanozyme；檢索日期：2023年5月28 日）

按照納米酶的組成成分分類，可以將其分為貴金屬納米酶、碳基納米酶、金屬氧化物納米酶等[3]。

按照納米酶的結(jié)構(gòu)形態(tài)分類，可以將其分為球形納米酶、棒狀納米酶、片狀納米酶、纖維狀納米酶等。

隨著合成生物學(xué)技術(shù)的發(fā)展，一種納米酶具備了以人為改造或從頭設(shè)計的蛋白為骨架并在此蛋白質(zhì)骨架中生長金屬納米顆粒的特點。這種納米酶將蛋白質(zhì)的功能和材料的催化特性融為一體，被稱為合成生物納米酶[4]。

由于天然酶對于催化底物有手性選擇，為了保證納米酶對催化底物有合適的手性選擇性，仰大勇團隊成功合成了拓?fù)洚悩?gòu)納米酶——能夠選擇性地介導(dǎo)超螺旋DNA 的拓?fù)渲嘏拧?/p>

2 納米酶的特點

2.1 納米酶的潛力

納米酶具有高效催化的特性。在溫和的生理條件下，它能夠高效地催化酶的底物。納米酶具有調(diào)節(jié)催化活性、高穩(wěn)定性、靈活的結(jié)構(gòu)設(shè)計及出色的生物相容性等優(yōu)勢，被認(rèn)為是天然酶的理想替代品。

合成的納米酶不僅能模擬天然酶的結(jié)構(gòu)，還能發(fā)揮類似的功能，即催化與酶相同的底物和化學(xué)反應(yīng)。納米酶在理性設(shè)計方面具有優(yōu)勢，研究人員可以運用仿生設(shè)計等多種手段提高其在各個方面的性能[5]，使其具有催化廣譜性。

納米結(jié)構(gòu)酶催化劑具有固定化酶所沒有的優(yōu)勢，能夠在實現(xiàn)固定化酶催化活性和穩(wěn)定性的同時，在非水相酶催化過程中表現(xiàn)出突出的性能[6]。

2.2 納米酶的限制

納米酶雖然具有與天然酶類似的酶促動力學(xué)特性和催化底物反應(yīng)的活性，但與天然酶相比，其在高效性、特異性和催化類型的豐富度等方面仍存在差異[7]。目前，納米酶的催化活性主要集中在氧化還原酶活性上，因此有必要尋找或設(shè)計具有其他酶活性的納米材料。

納米酶的催化機制目前仍較為模糊，主要受到納米酶結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性、選取材料種類的多樣性、多變性和催化位點選擇匹配的不確定性等的限制。例如，納米材料的組成成分形貌、尺寸和表面修飾等因素都會影響其需要研發(fā)的納米酶的生物活性。

納米酶的毒性還不確定。一些研究顯示納米酶在生物體內(nèi)具有治療潛力，然而細(xì)胞內(nèi)的微環(huán)境非常復(fù)雜，不同的細(xì)胞器具有不同的pH 值等條件可能導(dǎo)致催化行為發(fā)生改變。因此，任何人工替代物，包括納米酶，都可能因不適合該系統(tǒng)而導(dǎo)致代謝紊亂。

納米酶的研發(fā)涉及眾多領(lǐng)域，包括但不限于：生物材料設(shè)計、物理化學(xué)傳感、生物醫(yī)學(xué)工程、納米材料制備與應(yīng)用等。這些領(lǐng)域需要眾多科研人員的參與，包括生物學(xué)家、化學(xué)家、物理學(xué)家等。這就導(dǎo)致納米酶的學(xué)習(xí)和發(fā)展難度較大，限制了納米酶的高速發(fā)展。

2.3 納米酶與天然酶的對比

當(dāng)前，天然酶的工業(yè)化生產(chǎn)主要依賴于微生物的運用，涉及基因組學(xué)技術(shù)、發(fā)酵菌種改良、養(yǎng)殖培養(yǎng)基優(yōu)化、工業(yè)發(fā)酵產(chǎn)酶方法改進等多個環(huán)節(jié)。此外，還需要對目標(biāo)產(chǎn)物進行篩選與鑒定，并對產(chǎn)物進行分離和純化。

納米酶則不存在這些問題，其與天然酶的對比顯示出各自的特點及在實際應(yīng)用方面的選擇，如表1 所示。

表1 天然酶與納米酶優(yōu)缺點對比

3 納米酶的設(shè)計

納米酶的設(shè)計分為催化活性調(diào)節(jié)的設(shè)計、選擇性調(diào)控的設(shè)計、多功能性特性的設(shè)計和多酶活性的設(shè)計四個方面。其中，多酶活性（以POD-OXD、POD-CAT 和SOD-CAT 為主，還有OXD-CAT 等）的出現(xiàn)機制目前尚未明確，可能是構(gòu)成了一種級聯(lián)系統(tǒng)。其余三個方面的設(shè)計如下。

3.1 催化活性調(diào)節(jié)的設(shè)計

納米酶的催化活性取決于其與反應(yīng)底物的接觸程度，因此與底物接觸的活性位點的數(shù)量對其催化性能具有重要影響。納米酶的比表面積與其尺寸之間存在負(fù)相關(guān)關(guān)系，即納米酶的尺寸越小，其比表面積越大，相應(yīng)的活性位點的數(shù)量也越多。這就意味著納米酶的催化活性將隨著其尺寸的減小而提高。此外，納米酶的形貌特征也會對其催化位點的數(shù)量產(chǎn)生影響。

從組成成分上看，納米酶具有多種類型，可以通過調(diào)節(jié)其組成成分的方式改變其催化位點的活性。在上述分類中，合金化是貴金屬納米酶催化活性的調(diào)節(jié)方式；雜原子摻雜和模擬天然酶活性位點是提高碳納米酶類酶活性的方式；而對于金屬氧化物納米酶而言，元素?fù)诫s是調(diào)控其酶活力的有效途徑。

同時，外部因素也會影響催化活性的調(diào)節(jié)，例如pH、離子或分子、外部能量（光、磁等）。

3.2 選擇性調(diào)控的設(shè)計

納米酶缺乏特定的識別和結(jié)合底物的結(jié)構(gòu)域，并且其催化部位受微環(huán)境的精細(xì)調(diào)控，這些因素導(dǎo)致納米酶在催化反應(yīng)中表現(xiàn)出較低的催化專一性。迄今為止，尚未有能夠嚴(yán)格專一催化特定反應(yīng)底物的納米酶被成功合成或發(fā)現(xiàn)。為了增強納米酶的催化專一性，可以從兩個途徑——納米酶與底物的吸附、吸附后催化作用釋放底物進而轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物；六種手段——仿生結(jié)構(gòu)、分子印記（最有潛力且最便捷）、手性分子識別改造、物理和化學(xué)吸附、親水/疏水作用、表面修飾來進行設(shè)計改造[1]。

魏輝課題組的研究表明，一種集成的納米酶有望實現(xiàn)選擇性調(diào)控設(shè)計，即通過在特定空間內(nèi)組合多種納米酶來顯著提高類酶底物的選擇性和催化效率。

3.3 多功能性特性的設(shè)計

納米酶與天然酶和傳統(tǒng)模擬酶的區(qū)別在于兼具酶活性和納米材料的特性。納米酶在具備催化活性的同時也具有納米材料所特有的物理化學(xué)性質(zhì)，是一種多功能的人工材料。納米酶的納米材料特性賦予其多種特性，包括超順磁性（Fe3O4 納米材料）、金屬等離子體性質(zhì)、光熱特性、光聲現(xiàn)象、熒光現(xiàn)象、導(dǎo)電性、表面修飾性等。

超順磁性使納米酶可以作為生物醫(yī)藥領(lǐng)域中MRI 的造影劑，用于組織和細(xì)胞的體內(nèi)成像，在外加磁場的作用下，可以使被導(dǎo)入納米酶的細(xì)胞和被納米酶吸附的分子富集，提高細(xì)胞和分子的濃度。利用金屬的等離子體性質(zhì)（表面增強拉曼散射和等離子體共振現(xiàn)象）可以設(shè)計傳感器。

納米酶具有表面可修飾特性，可以被設(shè)計為一種可識別特異抗原和抗體的特殊酶類?；诩{米酶抗體的修飾是納米酶中一種常用的修飾手段[8]。

通過注重多種功能特性的綜合利用設(shè)計，不僅明確區(qū)分了納米酶與普通天然酶和人工模擬酶，還表現(xiàn)出了納米酶的獨特優(yōu)勢。

4 納米酶的應(yīng)用

4.1 納米酶的制備與合成

對于納米酶的制備，一般分為幾個層次。金屬納米酶的合成方法包括一般還原法、共還原法、置換反應(yīng)法及電化學(xué)沉積法、溶劑熱法。碳基納米酶的合成材料主要包括氧化石墨烯（GO）、碳納米管（CNTs）、富勒烯（C60）及其摻雜衍生物或復(fù)合物等，一般使用高溫?zé)峤夥ㄟM行制備。而復(fù)合材料納米酶則一般采用化學(xué)偶聯(lián)法、原位還原法等進行制備。

總體上，為實現(xiàn)納米酶的工業(yè)化生產(chǎn)，有兩種主要的合成路徑，分別是“自上而下”和“自下而上”的合成方法。前者是通過各種蝕刻技術(shù)將大尺寸的材料逐步分解成小的納米顆粒材料；后者則是通過相互作用將較小的結(jié)構(gòu)單元（如原子）逐步組裝成復(fù)雜的納米尺寸結(jié)構(gòu)。

4.2 納米酶的應(yīng)用

4.2.1 傳感器

在傳感器領(lǐng)域，由于納米酶同時具有天然酶和納米材料的特性，因此已經(jīng)發(fā)展出了多種獨特的傳感技術(shù)和方法。這些技術(shù)和方法已被廣泛應(yīng)用于多個領(lǐng)域，如傳染病防控、環(huán)境監(jiān)測、體外診斷、食品安全等，其中包括具有選擇性和敏感性的葡萄糖傳感策略, 以及高敏感性的檢測埃博拉病毒的試紙（將Fe3O4納米顆粒作為探針）?，F(xiàn)在，有多種納米酶檢測試劑盒已獲得醫(yī)療器械注冊證書，相關(guān)商業(yè)化產(chǎn)品也即將上市。

4.2.2 抗腫瘤、抗菌和抗病毒

納米酶的多酶活性現(xiàn)象使其具備了抗腫瘤、抗菌和抗病毒的作用，可以通過級聯(lián)系統(tǒng)發(fā)揮級聯(lián)反應(yīng)，作用于靶目標(biāo)?；诖耍呀?jīng)有很多研究者將納米酶納入抗腫瘤研究，發(fā)現(xiàn)類POD 活性（上文提及的多酶活性）納米酶可以被用于腫瘤的催化治療。納米酶多用于輔助療法，通過輔助已有方法或改進方法達(dá)到更理想的治療效果：輔助免疫療法、輔助化療等。

長期使用抗生素類藥物導(dǎo)致了細(xì)菌的持續(xù)變異、超級細(xì)菌的出現(xiàn)以及病毒的易變異等，抗生素類藥物的效果大幅下降。但是納米酶的催化作用機制不同于抗生素類藥物，不易使細(xì)菌等產(chǎn)生耐藥性。同時，納米酶也可以通過多種途徑介導(dǎo)殺菌及抗病毒，例如介導(dǎo)表層殺菌、介導(dǎo)深層殺菌、介導(dǎo)抗真菌治療及介導(dǎo)抗病毒治療。對于抗病毒治療，納米酶主要是通過提高活性氧（ROS）水平、增強機體免疫力來達(dá)到抗病毒的作用。

但是，納米酶的生物安全性及在未來臨床應(yīng)用中的效果等仍有待考慮。

4.2.3 環(huán)境保護

納米酶可以在安全的情況下進行大規(guī)模的生產(chǎn)與應(yīng)用?；诩{米酶的污染物檢測手段和污染物治理技術(shù)已經(jīng)得到了大量開發(fā)，并與傳感器研發(fā)相結(jié)合，使處理技術(shù)可以與傳統(tǒng)手段結(jié)合，從而高效地進行污染物的清除。目前，納米酶已被成功運用于多種水環(huán)境污染物的檢測，如神經(jīng)毒劑、毒素、重金屬離子、農(nóng)藥等有機污染物。

對于污水處理，納米酶可以從兩方面入手：污染物檢測和水環(huán)境污染物的處理。前者包括直接利用納米酶活性和間接利用納米酶活性（環(huán)境物質(zhì)導(dǎo)致納米酶活性增強或抑制）；后者包括過氧化物酶活性、氧化酶活性等。直接利用納米酶處理污水技術(shù)與其他技術(shù)，例如電催化、光催化的納米催化技術(shù)，能夠利用自身增強ROS 水平的特性高效降解污染物。

5 結(jié)語

一方面，納米酶在納米生物學(xué)領(lǐng)域中引入了一種全新的研究模式。自納米酶被發(fā)現(xiàn)以來，研究者們已經(jīng)開始利用酶學(xué)研究的基礎(chǔ)理論和方法從納米效應(yīng)的角度設(shè)計納米酶。這種新的研究模式有助于我們更深入地理解納米酶在生物體系中的催化行為，能夠進一步推動納米酶在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用。

另一方面，納米酶也讓我們意識到酶的內(nèi)涵會隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展而不斷擴展。從酶研究的歷史中可以看出，酶的內(nèi)涵一直以來都是“高效生物催化”，不僅僅限于酶分子的物理屬性（如細(xì)胞、蛋白質(zhì)、RNA 或DNA），而是指能夠在生理條件下高效催化生化反應(yīng)的任何物質(zhì)。可以預(yù)見，未來可能會有更多形式的酶被發(fā)現(xiàn)。

隨著研究的深入，納米酶作為一種“新材料”的核心內(nèi)涵和科學(xué)意義不斷凸顯。納米催化酶展現(xiàn)出高效的生物催化效應(yīng)，在生理環(huán)境下能夠高效促進已知的生化反應(yīng)。值得注意的是，納米酶的催化活性并不依賴于任何已知的酶分子，而是由其內(nèi)在結(jié)構(gòu)所決定的。