中科院生物物理所Acc. Chem. Res综述：新一代人工酶——纳米酶的新概念及应用

【引言】

纳米酶是一类本身蕴含酶学特性的纳米材料，具有催化活性强、稳定性好、成本低等优势。自从2007年阎锡蕴院士团队首次报道纳米酶新概念以来（Nature Nanotechnology，2007），迄今，全球已有29个国家的290多个实验室报道了320余种纳米酶，逐渐形成了纳米酶新型交叉学科领域。 纳米酶的出现是人工模拟酶研究领域的重大进展，它不仅揭示了惰性无机材料在纳米尺度呈现出不可预见的酶学特性，还使模拟酶研究领域从有机化学拓展到无机纳米材料领域。更重要的是，纳米酶克服了天然酶脆弱和昂贵的弊端，突破了以往模拟酶催化效率不高的局限性，目前已被广泛应用到疾病诊断和治疗、传染病防控、环境监测和污水处理等多个领域。纳米酶是目前为数不多的由中国科学家发现、被国际同行认可，并迅速实现成果转化的新型交叉学科领域。

【成果简介】

近日，中科院生物物理所研究员阎锡蕴研究院以及梁敏敏（通讯作者）在Accounts of Chemical Research上发表了题为“Nanozymes: From New Concepts, Mechanisms, and Standards to Applications”的综述。文章概述了纳米酶的发展历程、性能优势及现有的局限性，指出纳米酶同时具有的酶催化特性及纳米材料特有的光、电、磁等理化特性，使得纳米酶特别适合作为多功能探针用于疾病的诊断与治疗，另外文章还总结了纳米酶作为天然酶的替代品在工业制造、污水处理、抗菌洗消及纳米酶载药等多个领域的应用，随之文章提出如何将一批原创的纳米酶新技术迅速转化为新产品，如何制定行业标准，进行纳米酶的理性设计，推动纳米酶在临床医学、军工、公共安全、环境治理等领域的快速应用，开启纳米酶应用新时代。最后，作者展望了纳米酶学产生的客观条件及未来对传统酶学带来的影响及机遇。

【图文导读】

图1 基于Fe₃O₄的类过氧化酶纳米酶

(a)不同大小的Fe₃O₄ NPs的TEM图；

(b) Fe₃O₄ NPs在H₂O₂存在下催化各种过氧化物酶底物（TMB，DAB和OPD），产生不同的颜色反应；

(c) Fe₃O₄ NPs催化机理。AH代表过氧化物酶底物，它是氢供体；

图2 基于氮掺杂碳纳米粒子的纳米酶

(a) 氮掺杂的碳纳米颗粒（N-PCNS）TEM图；

(b) N-PCNSs的催化机理；

(c)基于N-PCNSs的类氧化酶，过氧化物酶，过氧化氢酶和超氧化物歧化酶动力学研究；

图3 用于免疫测定的Fe₃O₄纳米粒子纳米酶

(a) ELISA免疫检测模式；

(b)夹心捕获免疫分析检测模式；

(c)条带免疫检测模式；

图4 肿瘤组织的M-HFn染色

(a) M-HFn NPs的制备；

(b) 肿瘤组织的M-HFn NPs染色；（石蜡包埋的临床肿瘤组织及其相应的正常和损伤组织用FITC缀合的HFn蛋白壳和M-HFn NP染色。肿瘤组织显示M-HFn NPs（棕色）和FITC-缀合的HFn蛋白壳（绿色荧光）的强阳性染色，而正常和损伤组织对照对M-HFn NP和FITC缀合的HFn是阴性的）

传统免疫组化与M-HFn纳米酶染色肿瘤组织的比较

传统免疫组化与M-HFn纳米酶染色肿瘤组织的比较

图6用于不稳定动脉粥样硬化斑块病理学鉴定的M-HFn纳米酶

(a) M-HFn NPs的制备过程示意图；

(b) HFn纳米笼（左）和M-HFn NP（右）的Cryo-EM图像；

(c) M-HFn纳米酶特异性染色；

图7 纳米酶囊泡用于肿瘤H₂O₂响应性催化光声成像示意图

图8标准化类过氧化物纳米酶催化活性

(a) 三种典型的过氧化物纳米酶（Fe₃O₄，碳和Au NP）的TEM图；

(b) Fe₃O₄，碳和Au NPs催化过氧化物酶底物；

(c) 由Fe₃O₄（红色），碳（黑色）和Au（蓝色）纳米酶催化TMB反应的反应时间曲线；

(d) Fe₃O₄，碳和Au纳米酶的比活性（U / mg）；

【小结】

  作者在本综述中全面介绍了各种类型的纳米酶及其在生物传感、疾病诊疗以及环境检测中的应用。同时该综述基于目前的纳米酶理论基础，重新定义并且评价纳米酶性能的标准并且研究相关动力学，并基于此对纳米酶未来前景进行讨论。

文献链接：Nanozymes: From New Concepts, Mechanisms, and Standards to Applications

原文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.accounts.9b00140 (Acc. Chem. Res. 2019, DOI: 10.1021/acs.accounts.9b00140),

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