納米酶的研究及應用進展

吳 坤

華南農業大學動物科學學院，廣東 廣州 510630

1 納米酶的概述

1.1 納米酶的發現與發展

我國科學家在跨學科合作的基礎上發現了一種納米酶。閻錫蘊團隊首次從酶學角度深入研究了無機納米材料在催化過程中的效率、機制和反應動力學，并將其與天然酶進行了系統的比較。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”。這一發現標志著新一代人工酶——納米酶的誕生[1]。

在有關納米酶的研究中，概念的不斷完善和新型材料的不斷涌現是兩大重要趨勢。隨著研究的深入，發現了細胞內的鐵蛋白和磁細菌的磁小體。我國科學家開發了用于研究納米酶催化活性的方法，創立了納米酶術語和標準化體系，解析了納米酶的構效關系，使納米酶的催化活性提高了10 000 倍，實現了理性設計，并創造了全球首個納米酶產品——納米酶檢測試紙條，為納米酶領域的發展做出了重要的貢獻[2]。同時，自2007年首例納米酶被報道以來，相關論文的出版數量逐年增多，科學家對納米酶的關注度逐漸上升。

1.2 納米酶的分類

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

圖1 相關論文出版數量逐年增多，原始相關論文是中國百年（1919～2019）百篇高被引論文之一（數據庫：Web of Science；檢索關鍵詞：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]。

按照納米酶的結構形態分類，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。

隨著合成生物學技術的發展，一種納米酶具備了以人為改造或從頭設計的蛋白為骨架并在此蛋白質骨架中生長金屬納米顆粒的特點。這種納米酶將蛋白質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撲異構納米酶——能夠選擇性地介導超螺旋DNA 的拓撲重排。

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。納米酶具有調節催化活性、高穩定性、靈活的結構設計及出色的生物相容性等優勢，被認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構，還能發揮類似的功能，即催化與酶相同的底物和化學反應。納米酶在理性設計方面具有優勢，研究人員可以運用仿生設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。

納米結構酶催化劑具有固定化酶所沒有的優勢，能夠在實現固定化酶催化活性和穩定性的同時，在非水相酶催化過程中表現出突出的性能[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特性和催化底物反應的活性，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，主要受到納米酶結構的復雜性、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具有治療潛力，然而細胞內的微環境非常復雜，不同的細胞器具有不同的pH 值等條件可能導致催化行為發生改變。因此，任何人工替代物，包括納米酶，都可能因不適合該系統而導致代謝紊亂。

納米酶的研發涉及眾多領域，包括但不限于：生物材料設計、物理化學傳感、生物醫學工程、納米材料制備與應用等。這些領域需要眾多科研人員的參與，包括生物學家、化學家、物理學家等。這就導致納米酶的學習和發展難度較大，限制了納米酶的高速發展。

2.3 納米酶與天然酶的對比

當前，天然酶的工業化生產主要依賴于微生物的運用，涉及基因組學技術、發酵菌種改良、養殖培養基優化、工業發酵產酶方法改進等多個環節。此外，還需要對目標產物進行篩選與鑒定，并對產物進行分離和純化。

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用方面的選擇，如表1 所示。

表1 天然酶與納米酶優缺點對比

3 納米酶的設計

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

3.1 催化活性調節的設計

納米酶的催化活性取決于其與反應底物的接觸程度，因此與底物接觸的活性位點的數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相關關系，即納米酶的尺寸越小，其比表面積越大，相應的活性位點的數量也越多。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量產生影響。

從組成成分上看，納米酶具有多種類型，可以通過調節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節方式；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，元素摻雜是調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節，例如pH、離子或分子、外部能量（光、磁等）。

3.2 選擇性調控的設計

納米酶缺乏特定的識別和結合底物的結構域，并且其催化部位受微環境的精細調控，這些因素導致納米酶在催化反應中表現出較低的催化專一性。迄今為止，尚未有能夠嚴格專一催化特定反應底物的納米酶被成功合成或發現。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化為產物；六種手段——仿生結構、分子印記（最有潛力且最便捷）、手性分子識別改造、物理和化學吸附、親水/疏水作用、表面修飾來進行設計改造[1]。

魏輝課題組的研究表明，一種集成的納米酶有望實現選擇性調控設計，即通過在特定空間內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 多功能性特性的設計

納米酶與天然酶和傳統模擬酶的區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性質，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、光熱特性、光聲現象、熒光現象、導電性、表面修飾性等。

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

納米酶具有表面可修飾特性，可以被設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計，不僅明確區分了納米酶與普通天然酶和人工模擬酶，還表現出了納米酶的獨特優勢。

4 納米酶的應用

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、置換反應法及電化學沉積法、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合物等，一般使用高溫熱解法進行制備。而復合材料納米酶則一般采用化學偶聯法、原位還原法等進行制備。

總體上，為實現納米酶的工業化生產，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構單元（如原子）逐步組裝成復雜的納米尺寸結構。

4.2 納米酶的應用

4.2.1 傳感器

在傳感器領域，由于納米酶同時具有天然酶和納米材料的特性，因此已經發展出了多種獨特的傳感技術和方法。這些技術和方法已被廣泛應用于多個領域，如傳染病防控、環境監測、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在，有多種納米酶檢測試劑盒已獲得醫療器械注冊證書，相關商業化產品也即將上市。

4.2.2 抗腫瘤、抗菌和抗病毒

納米酶的多酶活性現象使其具備了抗腫瘤、抗菌和抗病毒的作用，可以通過級聯系統發揮級聯反應，作用于靶目標?；诖?，已經有很多研究者將納米酶納入抗腫瘤研究，發現類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致了細菌的持續變異、超級細菌的出現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，不易使細菌等產生耐藥性。同時，納米酶也可以通過多種途徑介導殺菌及抗病毒，例如介導表層殺菌、介導深層殺菌、介導抗真菌治療及介導抗病毒治療。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用中的效果等仍有待考慮。

4.2.3 環境保護

納米酶可以在安全的情況下進行大規模的生產與應用?；诩{米酶的污染物檢測手段和污染物治理技術已經得到了大量開發，并與傳感器研發相結合，使處理技術可以與傳統手段結合，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境污染物的檢測，如神經毒劑、毒素、重金屬離子、農藥等有機污染物。

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（環境物質導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與其他技術，例如電催化、光催化的納米催化技術，能夠利用自身增強ROS 水平的特性高效降解污染物。

5 結語

一方面，納米酶在納米生物學領域中引入了一種全新的研究模式。自納米酶被發現以來，研究者們已經開始利用酶學研究的基礎理論和方法從納米效應的角度設計納米酶。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學領域的應用。

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

隨著研究的深入，納米酶作為一種“新材料”的核心內涵和科學意義不斷凸顯。納米催化酶展現出高效的生物催化效應，在生理環境下能夠高效促進已知的生化反應。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，而是由其內在結構所決定的。