《中国科学:生命科学》纳米酶:师法自然

纳米酶技术 生物传感技术
Jack Zhang    2021-01-07    756

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自从2007年磁性铁纳米粒子具有过氧化物酶的发现打破了无机材料具有生物惰性的传统观念,激发了研究人员对探索其他新型酶样纳米材料的广泛兴趣。在过去的十年中,已经报道了300多种纳米材料具有内在的类酶活性,这些材料被称为纳米酶。与在极端环境中容易失活的天然酶相比,纳米酶具有稳定的结构、可调节的活性和多种功能,使其成为工业生产、环境管理、生化检测和生物化学等许多领域中天然酶的潜在替代品和有价值的竞争者。根据材料类型,纳米酶大致可分为三类:基于金属的纳米酶(例如金、铂和钴);金属氧化物或金属硫化物纳米酶(例如三氧化二铁、二氧化铈、五氧化二钒和硫化铁)和碳基纳米酶(例如富勒烯、石墨烯和碳点)。据报道,这些纳米酶模拟氧化还原酶(例如过氧化物酶、氧化酶、超氧化物歧化酶(SOD)和过氧化氢酶)、水解酶(例如磷酸酶和磷酸酶)和裂解酶例如碳酸酐酶。其中,大多数纳米酶具有氧化还原酶活性是因为其粗糙表面结构,其仅催化相对简单的化学反应。基于中间体的实时观察和反应过程中能量变化的理论计算,已使用一些理论模型来解释某些纳米酶的催化机理。快速的原子价转移和电子转移是许多纳米模拟酶的催化机制,这也说明材料表面特性(例如大小、形态、表面晶格、组成和修饰)是纳米酶酶学特性的决定因素。另外,一些环境因素,例如pH、温度和离子溶液,也影响纳米酶的催化活性。

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尽管过去已经取得了许多进步,但是由于缺乏精细的表面结构,纳米酶仍具有很大的改善催化活性和底物选择性的空间。从自然界学习是改善纳米酶的酶学性质的一种行之有效的策略。像天然酶中的辅因子一样,已发现某些分子可有效增强纳米酶的催化活性。纳米酶的性能也可以通过构建类似于天然酶活性中心的纳米结构。尽管许多文献对纳米酶的研究和应用进展进行了详尽的综述,但这是第一个针对生物酶设计纳米酶的综合综述。为了突出生物启发性纳米酶的进展,本综述介绍了几种生物启发性策略和相关的重要进展。讨论了生物启发性纳米酶的当前挑战和未来方向,以为新型纳米酶的合理设计提供参考,并吸引相关研究人员进行关于纳米酶的更广泛和深入的研究。

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这一成果发表在Science China Life Sciences。标题为Nanozymes: created by learning from nature DOI: 10.1007/s11427-019-1570-7


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