天然酶的替代品:纳米酶的发展与挑战

2024-04-24 18:55:11
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核心提示:酶作为强大的生物催化剂,主要由蛋白质组成,少数是催化RNA分子。由于催化活性高,基质特异性高,天然酶已被广泛应用于工业、医疗和生物领域。

酶作为强大的生物催化剂,主要由蛋白质组成,少数是催化RNA分子。而典型的化学催化剂或工业催化剂通常在高温、高压、有机溶剂以及极端pH值环境等恶劣条件下使用,酶主要用于催化生物分子的转化,这些反应通常在相对温和的条件下进行。由于催化活性高,基质特异性高,天然酶已被广泛应用于工业、医疗和生物领域。但它们往往存在内在缺陷,如制备和净化成本高,操作稳定性低,催化活性对环境条件的敏感性,以及回收和再利用困难。这些缺点都限制了它们在食品加工、生物感应、环境保护、生物医学等方面的进一步应用。为了克服这些缺点,研究人员长期以来一直致力于探索人工酶模拟。此前,研究表明,各种材料可以作为具有类似结构和功能的人造酶,如富勒烯、环糊精、聚合物、枝状体、卟啉、金属配合物和一些生物分子。自2007年发现Fe3O4纳米颗粒作为过氧化物酶模拟以来。对纳米材料基人工酶(称为“纳米酶”)的大量研究一直在不断出现。纳米酶是一种纳米材料具有纳米尺寸(1-100 nm)和酶催化性能。它们可以分为两类:(1)在纳米材料上修饰的酶或酶催化基团,称为纳米材料杂交酶。在纳米材料的帮助下,改性酶或酶催化基团可以提高稳定性和耐用性。(2)纳米材料具有固有的酶催化特性,其机制与酶相似,可以催化相同的生物催化反应。纳米酶成功地结合了典型化学催化剂和生物催化剂的特性。最近的研究主要集中在探索具有固有催化能力的纳米材料,因为它是实现纳米材料潜在应用的一个有吸引力的领域。与天然酶相比,纳米酶具有低成本、稳定性高、耐用性等优点。更有趣的是,一些纳米酶还可以催化一些非自然生物过程,如生物正交催化。基于这些新特性,纳米酶被用于生物电感,环境处理,疾病诊断和治疗,抗菌剂,和细胞对细胞中生物分子的保护等等(图1)。


Figure 1 纳米酶在生物感应中的最新应用

虽然纳米酶克服了天然酶的许多缺点,但目前仍然存在一些问题:(1)高催化活性和优异的底物选择性是天然酶的独特特性。尽管许多纳米材料已被证明是酶模拟,并且一些设计的纳米酶的催化活性与天然酶相似甚至更高,但大多数纳米酶的催化活性仍然远低于相应的天然酶。此外,纳米酶还存在底物选择性差的问题。研究人员目前已经意识到这些问题,并开展了相关工作。然而,这些研究还远远不够。为此,需要付出很多努力和关注来合理构建具有高基质选择性和催化效率的新型纳米酶。(2)到目前为止,对纳米酶的研究重点主要集中在模拟氧化还原酶活性,如氧化物酶、过氧化物酶、过氧化氢酶和超氧化物歧化酶,而其他酶的研究较少。在自然环境中,酶主要根据催化反应的类型分为六类,包括氧化还原酶、水解酶、转移酶、裂解酶、异构酶和连接酶。在生物体中,有许多酶可以协作并参与许多重要的生命过程。为此,开发更多类型的纳米酶并探索其级联反应子将加深我们对天然酶和复杂生命过程的理解。(3)尽管研究人员为研究纳米酶的催化机制付出了很多努力,但到目前为止只报告了一些机制,许多催化机制仍然不清楚。了解催化动力学和机制可能有助于调节纳米酶的催化活性。因此,我们仍然需要投入更多的精力来探索它们的催化动力学和机制。(4)天然酶通常具有均匀的形态和大小,但纳米酶的形态和大小往往彼此不同。此外,天然酶通常只有一个酶活性,催化特定的底物或一类类似物。然而,一些纳米材料可能具有类似多酶的活性,这些活性有时甚至会相互干扰。此外,与仅用于催化生化反应的天然酶不同,一些纳米酶可能具有成像、光热治疗等其他特性。目前还不清楚这些特性是否会影响纳米酶的催化能力。我们需要更加关注这些问题,例如如何平衡和利用纳米酶的这些独特特性。(5)最近对纳米酶的研究仍然主要集中在传感器上,在检测领域的实际应用刚刚实现。环境保护等其他领域的应用仍处于实验阶段。与天然酶相比,具有潜在毒性和相对较低催化活性的纳米酶仍然无法满足实际应用的要求。在环境保护和抗菌应用中,大多数研究都集中在过氧化物酶模拟,而具有有机污染物催化降解性或抗菌活性的其他类型的纳米酶的报告较少。(6)尽管纳米酶在癌症治疗中表现出潜力,但它们自身的生物安全仍然是一个令人严重关切的问题。同样,对于用于细胞保护的纳米酶来说,生物安全和潜在毒性仍然具有挑战性。因此,研究人员需要专注于开发用于疾病治疗的低毒性和高效纳米酶,这对纳米酶应用于临床用途还有很长的路要走。(7)天然酶广泛应用于医学、食品、工业、农业、环境、生物技术等领域。与天然酶相比,目前对纳米酶应用的研究仍然相当有限。这些未解决的问题将是进一步应用的巨大挑战。

参考文献

[1] Huang Y, Ren J, Qu X. Nanozymes: Classification, Catalytic Mechanisms, Activity Regulation, and Applications[J]. Chemical Reviews, 2019. 119(6): 4357-4412.

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