纳米酶的研究及应用进展

吴 坤

华南农业大学动物科学学院，广东 广州 510630

1 纳米酶的概述

1.1 纳米酶的发现与发展

我国科学家在跨学科合作的基础上发现了一种纳米酶。阎锡蕴团队首次从酶学角度深入研究了无机纳米材料在催化过程中的效率、机制和反应动力学，并将其与天然酶进行了系统的比较。他们将这种无机纳米材料命名为“纳米酶”。汪尔康团队将其英文名称定为“Nanozyme”。这一发现标志着新一代人工酶——纳米酶的诞生[1]。

在有关纳米酶的研究中，概念的不断完善和新型材料的不断涌现是两大重要趋势。随着研究的深入，发现了细胞内的铁蛋白和磁细菌的磁小体。我国科学家开发了用于研究纳米酶催化活性的方法，创立了纳米酶术语和标准化体系，解析了纳米酶的构效关系，使纳米酶的催化活性提高了10 000 倍，实现了理性设计，并创造了全球首个纳米酶产品——纳米酶检测试纸条，为纳米酶领域的发展做出了重要的贡献[2]。同时，自2007年首例纳米酶被报道以来，相关论文的出版数量逐年增多，科学家对纳米酶的关注度逐渐上升。

1.2 纳米酶的分类

按照纳米酶的催化类型分类，目前纳米酶发展到了四种类型——水解纳米酶、异构纳米酶、氧化还原纳米酶和裂合纳米酶。合成酶和转移酶这两种类型的酶仍有待进一步研究。

图1 相关论文出版数量逐年增多，原始相关论文是中国百年（1919～2019）百篇高被引论文之一（数据库：Web of Science；检索关键词：Nanozyme；检索日期：2023年5月28 日）

按照纳米酶的组成成分分类，可以将其分为贵金属纳米酶、碳基纳米酶、金属氧化物纳米酶等[3]。

按照纳米酶的结构形态分类，可以将其分为球形纳米酶、棒状纳米酶、片状纳米酶、纤维状纳米酶等。

随着合成生物学技术的发展，一种纳米酶具备了以人为改造或从头设计的蛋白为骨架并在此蛋白质骨架中生长金属纳米颗粒的特点。这种纳米酶将蛋白质的功能和材料的催化特性融为一体，被称为合成生物纳米酶[4]。

由于天然酶对于催化底物有手性选择，为了保证纳米酶对催化底物有合适的手性选择性，仰大勇团队成功合成了拓扑异构纳米酶——能够选择性地介导超螺旋DNA 的拓扑重排。

2 纳米酶的特点

2.1 纳米酶的潜力

纳米酶具有高效催化的特性。在温和的生理条件下，它能够高效地催化酶的底物。纳米酶具有调节催化活性、高稳定性、灵活的结构设计及出色的生物相容性等优势，被认为是天然酶的理想替代品。

合成的纳米酶不仅能模拟天然酶的结构，还能发挥类似的功能，即催化与酶相同的底物和化学反应。纳米酶在理性设计方面具有优势，研究人员可以运用仿生设计等多种手段提高其在各个方面的性能[5]，使其具有催化广谱性。

纳米结构酶催化剂具有固定化酶所没有的优势，能够在实现固定化酶催化活性和稳定性的同时，在非水相酶催化过程中表现出突出的性能[6]。

2.2 纳米酶的限制

纳米酶虽然具有与天然酶类似的酶促动力学特性和催化底物反应的活性，但与天然酶相比，其在高效性、特异性和催化类型的丰富度等方面仍存在差异[7]。目前，纳米酶的催化活性主要集中在氧化还原酶活性上，因此有必要寻找或设计具有其他酶活性的纳米材料。

纳米酶的催化机制目前仍较为模糊，主要受到纳米酶结构的复杂性、选取材料种类的多样性、多变性和催化位点选择匹配的不确定性等的限制。例如，纳米材料的组成成分形貌、尺寸和表面修饰等因素都会影响其需要研发的纳米酶的生物活性。

纳米酶的毒性还不确定。一些研究显示纳米酶在生物体内具有治疗潜力，然而细胞内的微环境非常复杂，不同的细胞器具有不同的pH 值等条件可能导致催化行为发生改变。因此，任何人工替代物，包括纳米酶，都可能因不适合该系统而导致代谢紊乱。

纳米酶的研发涉及众多领域，包括但不限于：生物材料设计、物理化学传感、生物医学工程、纳米材料制备与应用等。这些领域需要众多科研人员的参与，包括生物学家、化学家、物理学家等。这就导致纳米酶的学习和发展难度较大，限制了纳米酶的高速发展。

2.3 纳米酶与天然酶的对比

当前，天然酶的工业化生产主要依赖于微生物的运用，涉及基因组学技术、发酵菌种改良、养殖培养基优化、工业发酵产酶方法改进等多个环节。此外，还需要对目标产物进行筛选与鉴定，并对产物进行分离和纯化。

纳米酶则不存在这些问题，其与天然酶的对比显示出各自的特点及在实际应用方面的选择，如表1 所示。

表1 天然酶与纳米酶优缺点对比

3 纳米酶的设计

纳米酶的设计分为催化活性调节的设计、选择性调控的设计、多功能性特性的设计和多酶活性的设计四个方面。其中，多酶活性（以POD-OXD、POD-CAT 和SOD-CAT 为主，还有OXD-CAT 等）的出现机制目前尚未明确，可能是构成了一种级联系统。其余三个方面的设计如下。

3.1 催化活性调节的设计

纳米酶的催化活性取决于其与反应底物的接触程度，因此与底物接触的活性位点的数量对其催化性能具有重要影响。纳米酶的比表面积与其尺寸之间存在负相关关系，即纳米酶的尺寸越小，其比表面积越大，相应的活性位点的数量也越多。这就意味着纳米酶的催化活性将随着其尺寸的减小而提高。此外，纳米酶的形貌特征也会对其催化位点的数量产生影响。

从组成成分上看，纳米酶具有多种类型，可以通过调节其组成成分的方式改变其催化位点的活性。在上述分类中，合金化是贵金属纳米酶催化活性的调节方式；杂原子掺杂和模拟天然酶活性位点是提高碳纳米酶类酶活性的方式；而对于金属氧化物纳米酶而言，元素掺杂是调控其酶活力的有效途径。

同时，外部因素也会影响催化活性的调节，例如pH、离子或分子、外部能量（光、磁等）。

3.2 选择性调控的设计

纳米酶缺乏特定的识别和结合底物的结构域，并且其催化部位受微环境的精细调控，这些因素导致纳米酶在催化反应中表现出较低的催化专一性。迄今为止，尚未有能够严格专一催化特定反应底物的纳米酶被成功合成或发现。为了增强纳米酶的催化专一性，可以从两个途径——纳米酶与底物的吸附、吸附后催化作用释放底物进而转化为产物；六种手段——仿生结构、分子印记（最有潜力且最便捷）、手性分子识别改造、物理和化学吸附、亲水/疏水作用、表面修饰来进行设计改造[1]。

魏辉课题组的研究表明，一种集成的纳米酶有望实现选择性调控设计，即通过在特定空间内组合多种纳米酶来显著提高类酶底物的选择性和催化效率。

3.3 多功能性特性的设计

纳米酶与天然酶和传统模拟酶的区别在于兼具酶活性和纳米材料的特性。纳米酶在具备催化活性的同时也具有纳米材料所特有的物理化学性质，是一种多功能的人工材料。纳米酶的纳米材料特性赋予其多种特性，包括超顺磁性（Fe3O4 纳米材料）、金属等离子体性质、光热特性、光声现象、荧光现象、导电性、表面修饰性等。

超顺磁性使纳米酶可以作为生物医药领域中MRI 的造影剂，用于组织和细胞的体内成像，在外加磁场的作用下，可以使被导入纳米酶的细胞和被纳米酶吸附的分子富集，提高细胞和分子的浓度。利用金属的等离子体性质（表面增强拉曼散射和等离子体共振现象）可以设计传感器。

纳米酶具有表面可修饰特性，可以被设计为一种可识别特异抗原和抗体的特殊酶类。基于纳米酶抗体的修饰是纳米酶中一种常用的修饰手段[8]。

通过注重多种功能特性的综合利用设计，不仅明确区分了纳米酶与普通天然酶和人工模拟酶，还表现出了纳米酶的独特优势。

4 纳米酶的应用

4.1 纳米酶的制备与合成

对于纳米酶的制备，一般分为几个层次。金属纳米酶的合成方法包括一般还原法、共还原法、置换反应法及电化学沉积法、溶剂热法。碳基纳米酶的合成材料主要包括氧化石墨烯（GO）、碳纳米管（CNTs）、富勒烯（C60）及其掺杂衍生物或复合物等，一般使用高温热解法进行制备。而复合材料纳米酶则一般采用化学偶联法、原位还原法等进行制备。

总体上，为实现纳米酶的工业化生产，有两种主要的合成路径，分别是“自上而下”和“自下而上”的合成方法。前者是通过各种蚀刻技术将大尺寸的材料逐步分解成小的纳米颗粒材料；后者则是通过相互作用将较小的结构单元（如原子）逐步组装成复杂的纳米尺寸结构。

4.2 纳米酶的应用

4.2.1 传感器

在传感器领域，由于纳米酶同时具有天然酶和纳米材料的特性，因此已经发展出了多种独特的传感技术和方法。这些技术和方法已被广泛应用于多个领域，如传染病防控、环境监测、体外诊断、食品安全等，其中包括具有选择性和敏感性的葡萄糖传感策略, 以及高敏感性的检测埃博拉病毒的试纸（将Fe3O4纳米颗粒作为探针）。现在，有多种纳米酶检测试剂盒已获得医疗器械注册证书，相关商业化产品也即将上市。

4.2.2 抗肿瘤、抗菌和抗病毒

纳米酶的多酶活性现象使其具备了抗肿瘤、抗菌和抗病毒的作用，可以通过级联系统发挥级联反应，作用于靶目标。基于此，已经有很多研究者将纳米酶纳入抗肿瘤研究，发现类POD 活性（上文提及的多酶活性）纳米酶可以被用于肿瘤的催化治疗。纳米酶多用于辅助疗法，通过辅助已有方法或改进方法达到更理想的治疗效果：辅助免疫疗法、辅助化疗等。

长期使用抗生素类药物导致了细菌的持续变异、超级细菌的出现以及病毒的易变异等，抗生素类药物的效果大幅下降。但是纳米酶的催化作用机制不同于抗生素类药物，不易使细菌等产生耐药性。同时，纳米酶也可以通过多种途径介导杀菌及抗病毒，例如介导表层杀菌、介导深层杀菌、介导抗真菌治疗及介导抗病毒治疗。对于抗病毒治疗，纳米酶主要是通过提高活性氧（ROS）水平、增强机体免疫力来达到抗病毒的作用。

但是，纳米酶的生物安全性及在未来临床应用中的效果等仍有待考虑。

4.2.3 环境保护

纳米酶可以在安全的情况下进行大规模的生产与应用。基于纳米酶的污染物检测手段和污染物治理技术已经得到了大量开发，并与传感器研发相结合，使处理技术可以与传统手段结合，从而高效地进行污染物的清除。目前，纳米酶已被成功运用于多种水环境污染物的检测，如神经毒剂、毒素、重金属离子、农药等有机污染物。

对于污水处理，纳米酶可以从两方面入手：污染物检测和水环境污染物的处理。前者包括直接利用纳米酶活性和间接利用纳米酶活性（环境物质导致纳米酶活性增强或抑制）；后者包括过氧化物酶活性、氧化酶活性等。直接利用纳米酶处理污水技术与其他技术，例如电催化、光催化的纳米催化技术，能够利用自身增强ROS 水平的特性高效降解污染物。

5 结语

一方面，纳米酶在纳米生物学领域中引入了一种全新的研究模式。自纳米酶被发现以来，研究者们已经开始利用酶学研究的基础理论和方法从纳米效应的角度设计纳米酶。这种新的研究模式有助于我们更深入地理解纳米酶在生物体系中的催化行为，能够进一步推动纳米酶在生物医学领域的应用。

另一方面，纳米酶也让我们意识到酶的内涵会随着科学技术的发展而不断扩展。从酶研究的历史中可以看出，酶的内涵一直以来都是“高效生物催化”，不仅仅限于酶分子的物理属性（如细胞、蛋白质、RNA 或DNA），而是指能够在生理条件下高效催化生化反应的任何物质。可以预见，未来可能会有更多形式的酶被发现。

随着研究的深入，纳米酶作为一种“新材料”的核心内涵和科学意义不断凸显。纳米催化酶展现出高效的生物催化效应，在生理环境下能够高效促进已知的生化反应。值得注意的是，纳米酶的催化活性并不依赖于任何已知的酶分子，而是由其内在结构所决定的。