新知丨词话“纳米酶”——酶家族的新成员
图1. 2018年一道高考错题引发了对酶的定义的热烈讨论。（图片来自网络）
第一幕
不尽人意的生物酶应用
昨夜西风凋碧树。独上高楼，望尽天涯路。
传统酶学关于生物酶的定义是“由活细胞产生的、对底物具有高度特异性和高度催化效能的蛋白质或RNA”。生物酶对人体是至关重要的，人体内的几乎所有的生命活动都有酶的参与。生物酶的高效催化效率保障了生物体内时时刻刻都在进行的快速的物质转化和能量代谢。例如，酒精在人体内的代谢过程主要依靠乙醇脱氢酶和乙醛脱氢酶两种生物酶的参与。乙醇脱氢酶可以把酒精分解成乙醛，而乙醛脱氢酶可以将乙醛氧化为乙酸。一般情况下，这两种生物酶维持在一个正常的水平，从而保证酒精可以被快速的分解掉。而乙醛脱氢酶活性偏低的人，在大量酒精摄入之后，会使乙醛在体内积累，从而产生脸红上头和恶心呕吐等醉酒症状。
图2. 乙醛脱氢酶活性低的人容易醉酒。（图片来自网络）
生物酶因有着高效的催化效率，可以大幅提高化学反应进行的速率，节约时间成本，目前已经被广泛应用于化工、食品、医药、环境和生物技术等方面。例如，在生物技术方面，辣根过氧化物酶因为可以使底物快速地发生颜色变化，从而被广泛地应用于标记抗体，进而可以被用来检测与抗体特异性结合的抗原。
生物酶催化活性是任何人工合成的催化剂都难以企及的，但结构上的不稳定性和对环境的敏感性极大地限制了它的工业应用。首先，生物酶是大分子的活性物质，在应用过程中活性难以保持稳定，在高温、高压、强酸、强碱等剧烈条件下极易失活。生物酶的含量在机体中是动态变化的，需要时刻地与机体的需求保持一致，这就要求它不仅能被快速产生，还要能被快速代谢，因而生物酶结构不稳定，很容易就被降解。生物酶的催化活性很容易受到周围环境的影响，人体内大多数酶在37℃的生理条件下具有最佳催化活性，而一旦温度等条件发生较大变化，酶的活性就会被抑制甚至丧失。发烧之所以会严重影响人的生理机能，很大程度上就是由于体温升高使人体内酶的活性受到抑制，影响了生命活动的正常进行。
同时，生物酶造价昂贵且难以回收，尽管大多数生物都能产生生物酶，但只有有限数量的动植物和微生物是比较经济的生物酶源。动植物来源的酶是很多食品工业的重要用酶，但动植物培养条件高，生长周期长，难以大规模生产工业用酶。微生物虽然可以提高生物酶的产量，但由于细胞内成分复杂，生产过程中仍然面对着难以分离纯化等问题。在保证酶活的前提下有效地将生物酶与催化产物分离回收对节约成本来说至关重要，但这一过程本身就要耗费大量的成本。总的来说，生物酶的工业化应用很难有比较经济的工艺流程，从生产、应用到回收的整个过程都在烧钱。
因此，尽管目前已被鉴定和表征的生物酶多达数千种，但工业常用的生物酶却只有数十种，且大部分为水解酶，主要用于降解自然界中的淀粉、蛋白质和脂肪等高聚物，远远不能满足目前工业生产的需求。
第二幕
传统人工模拟酶的发展与瓶颈
衣带渐宽终不悔，为伊消得人憔悴。
传统的工业催化剂催化活性有限，且往往需要在高温高压等剧烈条件下才能发挥作用。虽然生物酶有些脆弱，但它诱人的催化性能依旧深深地吸引着催化领域的科学家。在纳米酶被发现之前，科学家们为发现或发明像生物酶那样的高效催化剂付出了巨大的努力。
生物酶的工业化首先要解决两个重要问题，稳定性和可回收性。为了弥补生物酶的缺陷，有一些科学家给生物酶加一个保护壳或者将它固定在固相载体上以提高稳定性。但是，这种稳定生物酶的策略仍然难以满足工业要求，主要是由于生物酶难以大规模生产，并且在稳定生物酶的过程中需要严格控制环境条件，防止酶活性受损，这就大大增加了工艺复杂度，使工业生产变得困难。
对生物酶催化机制的深入了解为设计和制造全新的人工模拟酶打开了新的思路。生物酶都具有活性中心和结合基团，一般情况下，结合基团会识别并结合底物分子，在结合基团的诱导下底物分子逐步接近活性中心，之后在活性中心的催化下，底物分子发生变化，不再与结合基团结合，从酶上被释放出来。为了模拟生物酶的催化活性，科学家们人工合成了很多大分子来仿造生物酶的活性中心，如环糊精、冠醚和环芳烃等大环化合物。这些体外合成的大分子较生物酶更加稳定，但催化活性有限且较难回收利用，因而也难以彻底解决生物酶应用中面临的困境。
图3. 生物酶催化机制示意图。(自创素材)
为了兼顾稳定性和可回收性，科学家逐渐尝试利用纳米技术来合成人工模拟酶。纳米技术是用单个原子、分子制造物质的科学技术，研究结构尺寸在0.1至100纳米范围内材料的性质和应用。纳米技术的发展异常迅速，从1984年德国萨尔大学的Gleiter教授等人首次制备金属纳米材料至今的短短35年时间，科学家们已经可以随心所欲的组装结构和功能多样化的纳米材料。因为纳米颗粒具有着很多宏观物质不具有的光学、磁学、电学等理化特性，并且可以进行多样化的改造，所以利用纳米技术来模拟生物酶可以赋予模拟酶多种多样的功能。例如，将具有催化活性的生物分子修饰在磁性纳米颗粒的表面，可以有效地利用磁性来回收模拟酶，降低工业成本。有研究在合成纳米材料时掺入催化底物，之后再将催化底物去除，使合成后的纳米材料具有能与催化底物契合的类酶结构空腔，从而能够有效地与催化底物结合，表现出类酶的催化性能。
这些人工合成的模拟酶相较于传统的催化剂在稳定性和催化活性上取得了长足的进步，但很多模拟酶仍受到高温高压等催化环境的限制，难以与生物酶媲美。如何完美结合纳米材料的稳定、多功能等特性和生物酶的高效催化活性是人工模拟酶发展的瓶颈，长久以来深深的困扰着相关领域的科研工作者。
第三幕
纳米酶带来新的曙光
众里寻他千百度，蓦然回首，那人却在灯火阑珊处。
在科学家们为模拟生物酶的结构和功能付出了巨大努力却又收效甚微之后，一类无需刻意模拟生物酶的结构，无需偶联任何天然组分，却又可以像生物酶一样具有高效催化性能的纳米材料的发现无疑会极大地燃起科学家们的兴趣。
科学史上很多重要的科学发现都与“偶然”撇不开关系，如抗生素的发现、安全玻璃的发明等。纳米酶的发现也是来源于2007年一次偶然的科学实验。为了将纳米技术应用于生物医学，中科院生物物理所的阎锡蕴课题组将标记了辣根过氧化物酶的抗体与四氧化三铁纳米颗粒结合以实现对抗原的磁力富集检测。由于抗体上连接了辣根过氧化物酶，所以可以使底物显色。然而，当时在阎锡蕴课题组就读的高利增博士在做实验的时候却发现，单独的四氧化三铁纳米颗粒也可以使底物显色，这让他非常困惑。在传统观念中，无机的四氧化三铁纳米颗粒是不具有生物效应的，所以这种一反常态的实验结果在开始时被认为可能是由实验过程中的污染导致的。为了深入地研究这一现象，阎锡蕴老师组织不同的学生进行反复的验证，排除了一切可能会影响实验结果的因素，最终表明四氧化三铁纳米颗粒确实具有类似于辣根过氧化物酶的性质，从而发现了纳米酶的存在。
一石激起千层浪，纳米酶的发现迅速地引起了国内外科学家们的关注，从纳米酶2007年被初次发现至今已经有300多种纳米材料被发现具有酶学活性，进行相关研究的实验室遍布超过26个国家。
图4. 四氧化三铁纳米酶可以像天然过氧化物酶一样催化相同的颜色反应。（NatureNanotechnology. 2007）
纳米酶之所以被认为具有类酶催化效应，不仅仅是因为它有着高效的催化活性，可以像生物酶一样催化相同的化学反应，更是因为它与生物酶有着极其相似的催化条件和催化机制。传统化学催化剂发挥催化功能大多需要在高温高压等极端环境进行，纳米酶却能像生物酶一样在生理温和的条件下高效地催化化学反应。此外，纳米酶与生物酶在与底物的反应方式上也非常相似。例如，辣根过氧化物酶在催化反应进行时先结合一个底物，然后释放出第一个产物，然后再结合另外一个底物，释放出第二个产物。因为这个过程一来一去很像打乒乓球，所以这种催化机制又叫做“乒乓反应”机制。而不可思议的是，实验表明四氧化三铁纳米酶催化的反应也遵从“乒乓反应”机制，这说明纳米酶在分子层面上具有着与生物酶相似的行为，即纳米酶具有着内在的类酶催化活性。
纳米酶为什么具有内在的类酶催化活性？这是一个重要而又非常有意思的问题。尽管目前这个问题尚无定论，但已经有了很多理论假说来尝试解释纳米酶的分子机制。纳米材料本身与宏观物质最大的不同就是在尺寸方面，尺寸减小可以使颗粒比表面积增大，即相同质量的纳米颗粒，单个颗粒的尺寸越小，整体表面积就越大。纳米酶催化的反应往往是在它的表面进行，因此尺寸越小，纳米酶的表面积越大，颗粒与底物接触的可能性也就越大，催化活性也就越高。
同时，纳米酶尺寸足够小的话，还可以使单个原子的催化性能很好的发挥出来，这也是它与生物酶相似的地方，因为很多生物酶往往含有一个金属离子处于活性中心的位置。很多人可能会想，既然单个原子的催化活性很高，那么离子溶液的催化效率不应该是最高的吗，为什么还要费力去合成纳米粒子呢?这是因为纳米颗粒表面以及生物酶活性中心的金属元素与离子溶液中的金属元素所处的环境是不同的，离子溶液中的金属元素处于完全游离的状态，而纳米酶和生物酶中的金属元素却是处于一种“限域”的状态，时刻受到周围环境的限制而不能完全地发生价态的变化，从而可以恰到好处地与底物发生相互作用，并且可以反复催化同一个反应的快速进行。这跟在驴子前面挂一根萝卜，才能让它一直赶路是差不多的道理。
图5. 与底物合适的作用力使纳米酶可以持续催化化学反应。（图片来自网络）
此外，有些纳米酶是由变价金属构成的，如四氧化三铁纳米酶表面既有二价铁又有三价铁，氧化铈纳米酶表面既有三价铈又有四价铈，这些表面的变价金属离子因为可以通过快速的价态转换来传递电子，因此可以高效地催化化学反应的进行。
纳米酶的发展方兴未艾，作为一类具有独特类酶性质的纳米材料，避免了生物天然酶结构不稳定的困扰，省去了传统模拟酶工艺复杂性的麻烦，增添了生理温和条件下就可高效催化的便利，可以以较低的成本进行大规模生产，具有着工业应用的无限潜力。例如，在环境的监测和治理方面，利用纳米酶的催化活性，可以快速地实现酸雨中过氧化氢的检测，还可以检测污染物中重金属的含量。此外，由于具有降解污染物的作用，纳米酶在污水处理中也得到了应用。在抗菌方面，过氧化氢是生活中常用的消毒剂，它可以自行分解产生自由基来杀伤细菌，但它自行分解的效率较低。纳米酶可以高效催化过氧化氢的分解，在短时间内产生大量的自由基，发挥更好的杀菌效果。
生物酶是生物体自身的物质，而诸多疾病都与生物酶的失调相关。因此，具有类酶活性的纳米酶在生物医学领域的应用也备受期待。目前已经有一些纳米酶被尝试应用于疾病诊疗方面。例如，在疾病诊断方面，因为四氧化三铁纳米酶具有类过氧化物酶的活性，可以催化底物显色，因而直接用四氧化三铁纳米酶标记抗体就可以实现对抗原的靶向检测，同时可以利用四氧化三铁的磁性来富集抗原。目前这种利用纳米酶检测抗原的技术已经被开发为试纸条，用来检测流感病毒、埃博拉病毒等病原体。
图6. 纳米酶试纸条检测埃博拉病毒。（Biosensors andBioelectronics. 2015）
在疾病治疗方面，有些纳米酶可以在中性条件下表现出超氧化物歧化酶的活性可以消除有害的活性氧基团，但在酸性条件下反而具有氧化酶的活性可以催化产生活性氧基团。因为正常组织多是处于中性环境，而肿瘤组织多是处于偏酸性环境，因此，这种纳米酶可以在保护正常组织的同时杀伤肿瘤组织。纳米酶作为交叉学科结合的产物，在催化着生物反应的同时，也在催化着纳米技术与生物医学更加紧密的结合，相信纳米酶会在未来的生物医学中大放光彩。
图7. 纳米酶催化产生活性氧杀伤肿瘤细胞。（Nature Communications. 2018）
纳米酶之所以深深吸引着科研人员的目光，一方面是由于对它的机制研究和活性优化对工业生产至关重要，另外一方面是由于它与生物酶的起源可能有着密不可分的关系。我们知道，生命的诞生是由无机到有机，由简单到复杂的进化的结果。生命起源的过程需要各种化学反应的参与，生物酶还没有被进化完成的时候，这些化学反应的进行是如何被催化的呢？纳米酶是否是生物酶的早期形式？纳米酶是否在生物酶的进化中起到了重要的作用？这些问题我们目前甚至可能在很长的一段时间内都无法回答。但至少我们现在知道，有这样一类纳米材料有着类酶的性质，我们可以拿它来做一些事情，来猜想一些东西，或许就目前来讲，已经足够了。
来源：中国科学院北京分院、中国科学院生物物理研究所
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