酶是活细胞产生的一类具有催化作用的有机分子.1877年,德国科学家Wilhelm Kuhne将这类分子命名为“酶”.随后,美国科学家James B. Sumner将其鉴定为一种蛋白质.天然酶具有催化效率高、底物专一、反应条件温和等特点.然而,由于酶的化学本质是蛋白质,在酸、碱、热等非生理环境中容易发生结构变化而失活.为此,科学家一直在寻求用化学合成法制备人工模拟酶,以便在非生理环境中应用.但如何提高模拟酶的催化效率,一直是该领域的核心问题之一.特别是,能否用无机材料制造出人工酶,使其不仅具有生物酶的催化效率,而且制造技术也比较简便可控,更是许多科学家的朝思暮想.
自1993年以来,纳米材料类酶催化现象偶有报道,但是由于缺乏深入研究而没有引起广泛关注.直到2007年,中国科学家打破传统学科界限,通过生物、化学、材料、物理、医学等领域研究人员的多年精诚合作,首次从酶学角度系统地研究了无机纳米材料的酶学特性(包括催化的分子机制和效率,以及酶促反应动力学),建立了一套测量纳米酶催化活性的标准方法,并将其作为酶的替代品应用于疾病的诊断(原始论文: Nature Nanotechnology, 2007, 2: 577-583).随后,国内外许多实验室也陆续报道了其他纳米材料的酶学特性(图 1).2013年,汪尔康院士和魏辉教授以纳米酶(nanozyme)为题发表长篇综述文章(Nanozyme: next-generation artificial enzyme,Chem Soc Rev 2013, 42: 6060-6093).从此,纳米酶(nanozyme)这一新概念引起了学术界广泛关注.目前,全球至少已有22个国家130个实验室从事纳米酶研究,50多种不同材料和结构的纳米酶被陆续报道,纳米酶的应用研究也已经拓展到了生物、农业、医学、环境治理和国防安全等多个领域,逐渐形成了纳米酶研究新领域.
数据来源:Web of Science,截止日期:2017年12月31日. |
纳米酶是新一代人工模拟酶(图 2).它如同天然酶一样,能够在温和条件下高效催化酶的底物,呈现出类似天然酶的催化效率和酶促反应动力学;但是它比天然酶稳定,即使在强酸/强碱(pH 2~ 10)或较大温度范围(4℃~90℃)内,仍能保持85%催化活性.另外,纳米酶除了催化活性之外,还兼有某些独特的理化特性,这为设计复杂的催化体系提供了条件.例如,我们曾设计了铁基纳米酶探针,兼具分离(磁性)和信号放大(催化)功能于一体,应用于试纸条检测中,灵敏度提高100倍,突破了传统试纸条因灵敏度低而长期应用受限的瓶颈,这项新技术已成为首个纳米酶产品.更可喜的是,动物实验表明,纳米酶有保护心肌、改善阿尔茨海默病和缺血性脑卒中等功能,预示纳米酶的应用研究已经从体外扩展到了体内,有望为疾病的治疗提供新思路和新方法.
纳米酶的出现改变了人们的传统观念,无机纳米材料不再被认为是惰性物质.正如德国科学家Wolfgang Tremel教授撰写的综述文章(Solids Go Bio:Inorganic Nanoparticles as Enzyme Mimics)所指出的那样,纳米酶揭示了纳米材料自身蕴含的生物效应,这不仅拓展了纳米材料在生物医学中的应用,还为人工模拟酶研究提供了新思想和新材料,更是为纳米生物学开启了新的研究方向.
2017年,“纳米酶”香山会议在北京召开,执行主席由汪尔康、包信和、张先恩、顾宁和我共同担任.来自全国20多个单位40余名专家(生物、材料、物理、化学、医学、理论计算、临床医生)从不同视角探讨了纳米酶的催化机制与应用研究.在充分讨论纳米酶催化机制及构建其理论体系的基础上,与会专家充分肯定了纳米酶的原创性及国际影响.例如,美国高登会议邀请多位中国科学家做纳米酶主题报告,国际最有影响的学术出版公司之一施普林格(Springer)出版集团邀请中国科学家编写《纳米酶》英文专著,国际知名杂志Small 设立了《纳米酶》专栏.目前无论是纳米酶研究论文还是成果转化,中国科学家都处于领先地位.
在纳米酶发现10周年之际,我应《生物化学与生物物理进展》主编王大成院士邀请,受命组织一期《纳米酶研究专刊》.我放下手中的实验,四处拨打电话或登门约稿.令我欣喜不已的是,这些活跃在纳米酶研究领域的中青年科学家,个个欣然接受约稿,人人写出颇有见地的文章,道出了对纳米酶的认知和贡献.正由于他们朝气蓬勃,创新思想层出,敬业精神十足,才有了纳米酶研究的飞速发展,也才有了这期《纳米酶研究专刊》面世.在此,我对他们的辛勤劳动深表谢忱.
我冒昧为专刊写了个引言,简述了几句纳米酶,敬请读者批评指正.
[1] | Gao L, Zhuang J, Nie L, et al. Intrinsic peroxidase-like activity of ferromagnetic nanoparticles. Nat Nanotechnol, 2007, 2(9): 577-583 DOI:10.1038/nnano.2007.260 |
[2] | Gao L, Yan X. Nanozymes: an emerging field bridging nanotechnology and biology. Sci China Life Sci, 2016, 59(4): 400-402 DOI:10.1007/s11427-016-5044-3 |
[3] | Wei H, Wang E. Nanomaterials with enzyme-like characteristics (nanozymes): next-generation artificial enzymes. Chem Soc Rev, 2013, 42(14): 6060-6093 DOI:10.1039/c3cs35486e |
[4] | Karakoti A, Singh S, Dowding J M, et al. Redox-active radical scavenging nanomaterials. Chem Soc Rev, 2010, 39(11): 4422-4432 DOI:10.1039/b919677n |
[5] | Hu X, Liu J, Hou S, et al. Research progress of nanoparticles as enzyme mimetics. Science China Physics, Mechanics and Astronomy, 2011, 54(10): 1749-1756 DOI:10.1007/s11433-011-4480-0 |
[6] | Celardo I, Pedersen J Z, Traversa E, et al. Pharmacological potential of cerium oxide nanoparticles. Nanoscale, 2011, 3(4): 1411-1420 DOI:10.1039/c0nr00875c |
[7] | Xie J, Zhang X, Wang H, et al. Analytical and environmental applications of nanoparticles as enzyme mimetics. TrAC Trends in Analytical Chemistry, 2012, 39(1): 114-129 |
[8] | Gao L, Yan X. Discovery and current application of nanozyme. Prog Biochem Biophys, 2013, 40(10): 892-902 |
[9] | He W, Wamer W, Xia Q, et al. Enzyme-like activity of nanomaterials. Journal of Environmental Science and Health, Part C, 2014, 32(2): 186-211 DOI:10.1080/10590501.2014.907462 |
[10] | Xu C, Qu X. Cerium oxide nanoparticle: a remarkably versatile rare earth nanomaterial for biological applications. NPG Asia Materials, 2014, 6(3): 102-108 |
[11] | Lin Y, Ren J, Qu X. Nano-gold as artificial enzymes: hidden talents. Adv Mater, 2014, 26(25): 4200-4217 DOI:10.1002/adma.v26.25 |
[12] | Lin Y, Ren J, Qu X. Catalytically active nanomaterials: a promising candidate for artificial enzymes. Acc Chem Res, 2014, 47(4): 1097-1105 DOI:10.1021/ar400250z |
[13] | Shin H Y, Park T J, Kim M I. Recent research trends and future prospects in nanozymes. Journal of Nanomaterials, 2015, 2015(1): 1-11 |
[14] | Ragg R, Tahir M N, Tremel W. Solids Go Bio: inorganic nanoparticles as enzyme mimics. European Journal of Inorganic Chemistry, 2015, 2016(13-14): 1906-1915 |
[15] | Garg B, Bisht T, Ling Y C. Graphene-based nanomaterials as efficient peroxidase mimetic catalysts for biosensing applications: an overview. Molecules, 2015, 20(8): 14155-14190 |
[16] | Singh S. Cerium oxide based nanozymes: Redox phenomenon at biointerfaces. Biointerphases, 2016, 11(4): 04B202 DOI:10.1116/1.4966535 |
[17] | Garg B, Bisht T. Carbon nanodots as peroxidase nanozymes for biosensing. Molecules, 2016, 21(12): 1653 DOI:10.3390/molecules21121653 |
[18] | Wang X, Hu Y, Wei H. Nanozymes in bionanotechnology: from sensing to therapeutics and beyond. Inorganic Chemistry Frontiers, 2016, 3(1): 41-60 DOI:10.1039/C5QI00240K |
[19] | Kuah E, Toh S, Yee J, et al. Enzyme mimics: advances and applications. Chemistry, 2016, 22(25): 8404-8430 DOI:10.1002/chem.v22.25 |
[20] | Xiaoyu wang., Wenjing guo., Yihui hu., et al. Nanozymes: next wave of artificial enzymes. Springer, 2016 http://link.springer.com/978-3-662-53068-9 |
[21] | Wang G, Zhang J, He X, et al. Ceria nanoparticles as enzyme mimetics. Chinese Journal of Chemistry, 2017, 35(6): 791-800 DOI:10.1002/cjoc.v35.6 |
[22] | Zhou Y, Liu B, Yang R, et al. Filling in the gaps between nanozymes and enzymes: challenges and opportunities. Bioconjug Chem, 2017, 28(12): 2903-2909 DOI:10.1021/acs.bioconjchem.7b00673 |
[23] | Liu B, Liu J. Surface modification of nanozymes. Nano Research, 2017, 10(4): 1125-1148 DOI:10.1007/s12274-017-1426-5 |
[24] | Gao L, Fan K, Yan X. Iron oxide nanozyme: a multifunctional enzyme mimetic for biomedical applications. Theranostics, 2017, 7(13): 3207-3227 DOI:10.7150/thno.19738 |
[25] | Cormode D P, Gao L, Koo H. Emerging biomedical applications of enzyme-like catalytic nanomaterials. Trends Biotechnol, 2018, 36(1): 15-29 DOI:10.1016/j.tibtech.2017.09.006 |