面对质疑，两位院士回应！

奇物论

2021-08-29

最近，ACS Catalysis 的一篇题为“nano-apples and orange-zymes”的社论质疑“纳米酶”这个词是否合适。由于纳米酶的跨学科性质，该术语的确切含义并不总是很明显。

于此，作为一直倡导纳米酶的研究人员，生物物理所阎锡蕴院士、长春应化所汪尔康院士等人在Nano Today上提供了他们的见解，澄清一些关键问题，并促进该领域的更深入思考。

“纳米酶”借用“纳米材料”和“酶”两个词，与核酶、抗体酶、化学酶、脱氧核糖核酸酶、合成酶等命名模式相同。与酶和常规人工酶相比，纳米酶具有成本低、高稳定、量产、多功能。这些优势为纳米酶的合理设计和更广泛的应用提供了更多的可能性。

迄今为止，纳米酶领域已经发表了 7500 多篇出版物，报道了大约 300 种具有催化活性的不同纳米材料，用于转化氧化还原酶的底物（例如过氧化物酶、过氧化氢酶和超氧化物歧化酶 (SOD))、水解酶（例如脲酶、蛋白酶、磷酸酶、核酸酶和葡萄糖醛酸酶）、裂解酶（例如碳酸酐酶和光裂解酶）和异构酶（例如拓扑异构酶 I），代表六种主要酶类型中的四种。这些催化纳米材料又被用于各个领域，从分子检测和肿瘤治疗到环境治疗。

鉴于该领域的当前发展，纳米酶可以定义为在生理相关条件下催化酶底物转化为产物并遵循酶动力学（例如 Michaelis-Menten，即米氏方程）的纳米材料，即使反应的分子机制可能不同纳米酶和相应的酶。虽然这个定义只要求纳米酶在生理相关条件下工作，但最有可能的是，纳米酶可以在通常会使酶变性的恶劣条件下工作。需要强调的是，纳米酶仍然是一个快速发展的领域，纳米酶的普遍接受的定义在很长一段时间内仍然是一个悬而未决的问题。

ACS Catalysis 的社论认为，“为了获得这个标签，酶模拟物应该表现出与酶的一些结构和或功能相似性”。虽然大多数报道的纳米酶尚未满足这一标准，但出于以下列出的原因，研究人员相信更广泛的定义将有利于该领域。

通过学习天然酶设计纳米酶

酶学已经建立了一套研究方法，并且已经深入研究了许多酶，这些方法已经并将继续为纳米酶的设计和开发提供信息。与任何人工酶一样，构效关系的研究也是纳米酶的关键。虽然早期对纳米酶的研究更多地描述了它们的特性，但最近出现了构效关系研究，以了解其机制并指导新纳米酶的设计。这结合了纳米科学（例如量子限制效应）、催化（例如单原子催化）、酶和人工酶的知识，专注于一个目标：阐明催化机制。

受天然酶的启发，已经开发出许多纳米酶来模拟天然酶的结构并调整它们的活性或选择性。如在一项研究中，单个 Fe-N 位点嵌入石墨烯上，类似于辣根过氧化物酶 (HRP) 中的血红素辅因子，与未掺杂的石墨烯相比，其类过氧化物酶的活性提高了 700 倍。

酶通常具有底物通道（或结合袋）以促进催化反应，并且纳米酶也可以被设计来模拟这种策略。如最近，设计了具有隔离底物通道的 PtNi 氧还原纳米酶来模拟酶的纳米限制反应体积，从而导致更高的转换率和电催化活性。这些研究表明，仅仅通过整合酶的部分结构特征，纳米酶的活性和选择性都可以得到提高。

图|通过模仿天然酶的结构特征设计纳米酶

纳米酶在体外和体内都作为酶的替代物

大多数纳米酶研究都是由应用驱动的，其简单目标是用更稳定、更具成本效益且有时更具活性的纳米材料替代天然酶。虽然在此类工作中，纳米酶当然可以称为催化纳米材料，但我们相信纳米酶的名称鼓励了这些研究工作的概念化。例如，具有类似 HRP 活性的纳米酶已广泛用于 ELISA，灵敏度比常规HRP的要高约 110 倍。

此外，由于它们作为纳米材料和酶模拟物的双重特性，纳米酶可以完成酶无法实现的功能。例如可以在海水或胃酸等恶劣环境中应用。研究还表明，纳米酶在细胞和动物水平上还实现了天然酶的生理功能。

图|纳米酶在体外和体内充当天然酶取代物

小结

在讨论纳米酶作为一个术语时，研究人员引用了 Jean-Marie Lehn 的批判性思想：“定义是有一个清晰、精确的核心，但通常其边界是模糊的，区域之间会发生相互渗透。这些模糊区域实际上起到了积极的作用，因为经常在那里可能会发生区域之间的相互影响”。对于纳米酶这样一个新兴的跨学科领域，虽然需要一个核心定义，但我们也相信一个模糊的边界，在那里将进行创新。

总体而言，研究人员认为“纳米酶”一词对于描述催化纳米材料在生物系统中的功能和设计功能性酶取代基很有价值。重要的是，纳米酶固有地结合了纳米级和酶样催化特性。纳米酶将有力地推动纳米技术与生物学之间的交流，带来新的思想和学术热情。

参考文献：

Hui Wei, et al., Nanozymes: A clear definition with fuzzy edges. Nano Today 2021.

https://doi.org/10.1016/j.nantod.2021.101269

Susannah Scott, et al., Nano-Apples and Orange-Zymes. ACS Catal. 2020, 10, 23, 14315–14317

https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acscatal.0c05047