2020-10-26 17:00 來源：澎湃新聞·澎湃號·政務
以下文章來源於納米酶 Nanozymes ，作者納米酶
納米酶 Nanozymes
推送關於納米酶的研究動態
近年來，納米酶研究的興起和發展為模擬酶領域注入了一股新的活力。2007年，閻錫蘊院士團隊發現Fe3O4納米顆粒的類過氧化物酶活性後，「納米酶」的概念被首次提出。自此，納米酶領域在短短十幾年間形成、發展並壯大，迄今為止全世界有300多個研究小組積極從事該領域的研究（圖1）。
圖1 截止2020年5月底關於納米酶的文獻發表數量，數據收集自web of science
納米酶是一類本身蘊含類酶活性的新型納米材料，具有和天然酶類似的催化活性和酶促反應動力學。相較於天然酶，納米酶成本低、穩定性好、易於大量製備和改造，具有取代天然酶的潛力。目前，已有研究報導發現、合成了多達近千種納米酶，並廣泛應用於分子檢測、環境治理和疾病診療等領域，展現出納米酶非常廣闊的應用前景。
儘管納米酶領域的研究已經取得了重大進展，但學界對絕大多數納米酶的催化機制仍缺乏系統性的認識，這阻礙了高催化活性、高選擇性的理想納米酶的設計。因此，深入理解納米酶的催化機制對於高效實用納米酶的理性設計至關重要，是納米酶研究領域迫切需要攻克的核心科學問題。
近日，中國科學院生物物理研究所/中國科學院納米酶工程實驗室閻錫蘊院士團隊在Materials Today雜誌（IF = 26.416）發表了題為 Structure and Activity of Nanozymes: Inspirations for De Novo Design of Nanozymes 的綜述文章。該綜述回顧了過去十餘年納米酶結構和關係的研究，針對納米酶結構和活性之間的關係進行了系統性歸納、分析和總結。全面闡述了影響納米酶活性的關鍵因素，梳理了納米酶結構與活性之間的關聯模式，並為未來納米酶的理性設計和從頭合成提出了合理設想，為進一步拓展納米酶的生物醫學應用提供了有價值的參考。
由於納米酶大多屬於異相催化劑，其催化活性多由其表面豐富的活性位點來控制。因此，與表面位點密切相關的因素都會直接或間接地影響納米酶的催化行為。文章首先討論了納米酶的尺寸、形貌、晶格、結構組成、表面電勢和修飾等結構特點對納米酶活性的影響（圖2）。
圖2 納米酶結構和活性之間關係示意圖
例如，在納米酶表面修飾基團可以通過增強其與底物的結合力來提高催化活性。然而，過多的表面修飾有可能阻礙納米材料與底物的相互作用，降低納米酶的催化活性。通過合理調節納米酶表面修飾基團的類型和密度，可以有效地調控納米酶的類酶活性。
大量研究，通過降低納米酶的尺寸、增大其表面積及表面積/體積比，促進具有催化活性原子的優先暴露及懸空鍵數量的上升可以促進納米酶與底物結合，從而使納米酶具有更高的催化活性。上述調控手段雖然思路不同，但其核心目標均是提高納米酶活性位點的暴露程度及其與天然酶活性位點結構的相似程度。通過這種思路，研究人員已合成和篩選出了一系列具有優異催化性能的納米酶。其中，模擬天然酶活性中心的結構和酶促微環境來改造納米酶，被證明是提高納米酶活性的優選策略。
在上述分析的基礎上，文章對納米酶的理性設計和從頭合成進行了展望分析，作者認為未來納米酶設計最有可能的前瞻性思路如下：(1) 明確類酶活性與暴露表面之間的關係，提升納米酶的設計的精確性和效率；(2) 通過在納米酶合成體系中引入多肽或其他生物材料，模擬天然酶的微環境或活性位點結構；(3) 利用多組分材料（如貴金屬、石墨烯、聚合物、氧化物等）之間的協同效應，構成複合型納米酶材料；(4) 多功能環境刺激響應性元件的引入也將為納米酶的設計提供新思路，為進一步改善納米酶的類酶性能提供可能。
闡明納米材料的結構特性與酶活性之間的關係在納米酶的開發和設計中具有重要的指導意義。基於對納米酶構效關係的系統性理解，人們將有望對納米酶的多樣化類酶活性進行靈活調控。同時，精確設計的納米酶結構也可以為機理研究提供更清晰的實驗模型，並將拓寬納米酶在疾病治療等領域的應用。
該綜述論文發表在國際著名期刊Materials Today上，其中，中國科學院生物物理研究所/中國科學院納米酶工程實驗室閻錫蘊院士、範克龍研究員為共同通訊作者，中國科學院生物物理研究所王卓然博士、博士生張若飛為共同第一作者。本研究得到了國家自然科學基金、國家重點研發計劃、中國科學院戰略先導專項、前沿科學重點研究計劃、中國科學院青年創新促進會、中國博士後科學基金等項目的資助。
文章連結：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1369702120303011
撰稿：範克龍課題組
校審：劉淑傑、徐風梧
編輯：徐庚辰
本文轉載自公眾號「納米酶」
由中國生物物理學會主辦的
「第十八次中國暨國際生物物理大會」
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原標題：《【科技前沿】Materials Today：納米酶的構效關係》
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