纳米酶：一种新型的生物安全材料

纳米酶,是一类自身蕴含酶学特性的纳米材料。自2007年被首次报道以来,已有近千种不同组成的纳米材料被发现具有类酶活性,它们表现出类似天然酶的酶促反应动力学和催化机理,并且可以作为天然酶的替代物进行应用。纳米酶本身所具有的类酶活性及其多功能、经济、稳定和易于大批量生产的优势,使其在病原微生物的快速检测以及感染性疾病的预防和治疗中展现出良好的应用潜力。因此,纳米酶被视为一种新型的生物安全材料。本文对近年来纳米酶在检测和杀灭细菌、病毒等病原微生物中的应用进行综述,为应对重大生物安全威胁和防范生物安全危害时,开发基于纳米酶的诊断和抗病原微生物治疗策略提供依据。     

纳米酶

纳米酶(Nanozymes)是由我国科学家首次提出的新概念,它是一类具有生物催化功能的纳米材料,能够基于特定的纳米结构催化天然酶的底物并作为酶的代替品。自2007年首次报道以来,全球已有来自于55个国家的420多个研究机构证实了纳米酶的普遍规律。纳米酶的发现第一次揭示纳米材料蕴含一种独特的纳米效应——类酶催化效应。纳米酶作为一种新材料,既有纳米材料本身的理化性质,又有类似酶的催化功能,兼具天然酶与人工酶的优势于一身。其中,纳米结构不仅赋予纳米酶高效催化功能,而且使纳米酶比天然酶稳定,易于规模化生产。另外,纳米酶独特的多酶活性将为设计廉价、稳定、各种各样全新的催化级联反应提供功能分子。纳米酶是多学科交叉融合的典范,2022年被IUPAC评为十大化学新兴技术。在全球从事化学、酶学、材料学、生物学、医学、理论计算等多领域科学家的共同推进下,如今纳米酶已经成为新的研究热点。我国科学家在这一新兴领域一直发挥着引领作用,解析了纳米酶的构-效关系,将其催化活性提高了约1万倍,实现了超越天然酶的理性设计,创造了全球首个纳米酶产品,出版了纳米酶学英文专著,发布纳米酶术语及中国/国际标准化。更可喜的是,纳...     

锰-铜双金属层状硅酸盐纳米酶的构筑及类酶活性

采用一步溶胶凝胶法, 在室温下合成了一种含有锰、 铜的双金属层状硅酸盐(AMCP), 并探究了其类漆酶和类过氧化物酶活性. 结果表明, AMCP具有与天然黏土类似的层状结构, 且结构中多价态的锰和铜使其具有优异的类漆酶和类过氧化物酶活性. 此外, 与天然酶相比, AMCP在极端温度和pH值下具有更强的耐受性, 当温度高于70 ℃后, 天然酶完全失活, 而AMCP仍保留了80%以上的活性, 而在pH=3~9条件下AMCP依然保持90%左右的催化活性. 随后, 进一步探究了其类酶活性机理, 证实了锰、 铜之间的电子传导可加速活性位点中铜电对的循环, 从而促进活性氧的产生, 提高其类酶催化活性. 本研究为高效多酶活性纳米酶的构筑提供了参考, 也可为双金属层状硅酸盐在生物传感、 疾病诊疗及环境修复等领域的应用奠定了基础.     

基于金属有机框架的纳米酶及其在生物分析中的应用

纳米酶是一类具有类酶活性的纳米材料,在分析化学和疾病诊疗领域具有良好的发展潜力。金属有机框架（MOFs）材料是由金属节点和有机配体形成的多孔晶体材料,其结构与天然酶有一定的相似性。目前,研究者已经开发了多种基于MOFs的纳米酶,包括具有类过氧化物酶、类氧化酶、类超氧化物歧化酶和类水解酶活性的纳米酶等,并显示出广阔的应用前景。本文根据材料的结构特点,将基于MOFs的纳米酶分为原始MOFs、化学修饰MOFs、MOFs复合材料和MOFs衍生物4类,介绍了这4类纳米酶制备的基本原理与最新研究进展。在此基础上,根据比色传感、荧光传感和电化学传感等分析策略,综述了MOFs基纳米酶在生物分析方面的研究和应用进展,讨论了其在实际应用中所面临的挑战和未来的发展趋势。     

基于短肽自组装与共组装的纳米纤维人工水解酶

将水解酶活性中心催化三联体氨基酸(His/Ser/Asp)引入9-芴亚甲氧羰基苯丙氨酸二肽(Fmoc-FF)双亲短肽序列中,利用短肽的自组装性能,构建了具有对硝基苯酚乙酸酯水解活性的超分子纳米纤维人工水解酶.研究结果表明,形成规则的纳米纤维结构是获得催化活性的必要条件.9-芴亚甲氧羰基(Fmoc)基团间的弱相互作用促使β-折叠二级结构的形成.通过对比天然水解酶的米氏动力学方程、最适催化温度及p H结果可知,所制备的超分子纳米纤维人工水解酶具有与天然酶相似的酶学性质.金属离子Ca2+和Ba2+对人工水解酶活性具有激活作用,而Mg2+,Ni2+,Co2+,Cu2+和Zn2+则抑制酶活性.     

单原子材料类酶催化及生物医学应用研究进展

纳米酶因其经济、 稳定、 性质可调和可循环利用等诸多优势, 成功地克服了天然酶在实际应用中的不足. 单原子材料的出现使得对纳米酶的研究迈入原子水平, 其较高的原子利用率、 独特的配位环境和较强的金属-载体相互作用为揭示纳米酶构效关系及调控类酶活性提供了可能. 本文总结了近年来单原子材料类酶催化的研究进展, 重点讨论了单原子材料类酶活性的调控策略和催化机理, 概述了单原子类酶材料在癌症治疗、 抗氧化治疗、 抗菌以及生物传感等方面的应用, 并对单原子类酶材料的发展前景进行了展望.     

载酶纳米催化体系用于疾病诊疗的研究进展

酶作为一种具有高度特异性和高效性的催化剂, 可在细胞器中通过复杂有序的生化反应调节细胞的代谢过程. 受细胞区隔化结构的启发, 仿生设计纳米酶催化体系、 构筑限域酶催化微环境从而提高酶催化活性的研究为酶催化应用开辟了新思路. 纳米催化体系保留了小尺寸、 大比表面积、 肿瘤部位选择性富集等优势, 在疾病的诊疗方面发挥了巨大的优势. 本文首先总结了天然酶、 模拟酶和级联酶体系的催化机理, 对仿生构筑的纳米酶催化材料的载体体系进行了概述, 介绍了纳米酶催化体系在生物成像方面的应用, 讨论了其在相关代谢类疾病的作用途径, 并对纳米酶催化体系用于生物诊疗的发展前景进行了展望.     

单原子纳米酶在生物医学中的应用

新近发展的单原子纳米酶(SAzymes),兼具纳米材料与酶的特性,可以精确模仿天然酶结构,在生物传感、疾病治疗等领域有着广泛的应用。SAzymes具有均匀分散的单原子结构和良好的配位环境,表现出显著的催化活性和稳定性。本文综述了近年来SAzymes在生物医学领域的应用,包括生物传感、肿瘤治疗、抗菌和抗氧化,并展望了SAzymes未来的发展,为合理设计多功能SAzymes提供了可行策略。     

CeO_2纳米酶在生物诊疗中的最新进展

CeO_2纳米粒子价格低廉、用途广泛,在工业领域已经发展成为一种成熟的工程化纳米材料。近年来,得益于独特的催化性能,纳米CeO_2被发现具有多种酶的活性,包括超氧化物歧化酶、过氧化氢酶、氧化酶、过氧化物酶、卤素过氧化物酶和磷酸酶等活性。简述了CeO_2纳米酶的多酶活性,并概括了相应模拟酶活性在生物分析、细菌感染、炎症、癌症和神经退行性疾病等领域的最新研究进展,对CeO_2纳米酶的改良及生物应用的拓展提出了展望。     

基于金属有机骨架的纳米酶及其应用研究进展

金属有机骨架（MOFs）具有大量的活性位点,且其框架结构可以保护其中包裹的天然酶不被破坏,从而具有模拟天然酶的性质。因此,基于MOF的纳米酶被认为具有良好的发展潜力。MOF基纳米酶分为四大类：分别是单纯MOFs、改性MOFs、与天然酶复合的MOFs以及MOF衍生物。种类的多样性同时也造就了制备、性能以及应用的多样性,这些内容在此综述中将被详细阐述。     

纳米花型酶-无机杂化固定化酶研究进展

酶是一种绿色高效的生物催化剂,被广泛地应用于工业生产中,为了更好的提升游离酶的性能,酶固定化技术应运而生。然而,与游离酶相比,固定化酶活性下降以及传质受限一直是酶固定化技术亟待解决的关键问题。作为一种新型酶固定化技术,纳米花型酶-无机杂化固定化酶因具有高比表面积、高酶活性和高催化效率,且制备简单,绿色无污染受到广泛关注。本文综述了近年来纳米花型酶-无机杂化固定化酶的研究进展,根据纳米花型酶-无机杂化固定化酶的形成特点,将其分为单酶纳米花、双酶纳米花和负载型纳米花。阐述了纳米花型酶-无机杂化固定化酶的制备过程和形成机理并对纳米花型酶-无机杂化固定化酶在食品工业和检测领域的应用进展做出总结。最后,对纳米花型酶-无机杂化固定化酶的发展前景做出展望。     

铁氨基黏土-葡萄糖氧化酶纳米复合催化剂的构筑及多酶级联反应研究

以铁氨基黏土(FeAC)为载体, 通过共价交联固定葡萄糖氧化酶(GO_x), 构筑了铁氨基黏土-葡萄糖氧化酶纳米复合催化剂(FeAC-GO_x). 利用FeAC的过氧化物酶活性, 与GO_x结合进行级联反应, 可催化葡萄糖转化为过氧化氢并产生显色反应; 采用扫描电子显微镜(SEM)、 X射线衍射(XRD)和傅里叶变换红外光谱(FTIR)对FeAC-GO_x进行了形貌和结构表征, 并评价了其酶动力学参数、 催化稳定性和重复使用性等. 结果表明, GO_x的固定化率可达到76.4%, 所构筑的纳米结构酶复合体系具有高效的级联催化能力. 与天然酶体系相比, FeAC-GO_x具有更优异的温度和pH耐受性, 且在重复使用6次后, 酶催化活性无明显降低. 该体系不仅为新型葡萄糖传感器的开发奠定了基础, 还为多酶级联纳米结构酶的构筑提供了新思路.     

纳米颗粒在抗癌药物可控靶向释放中的应用

近些年来癌症发病率不断攀升,引起了人们的普遍关注。由于传统诊疗方法存在弊端,因此开发新型的针对肿瘤组织的多功能的纳米颗粒(如金纳米颗粒、脂质体、聚合物、DNA等)药物输送系统越来越重要。基于生物体的EPR效应或经过表面修饰功能化后,纳米颗粒输送系统可被动或主动靶向到达肿瘤组织,并通过控制温度、pH、超声、光以及酶等激发条件在肿瘤区域实现可控释放。本文简单介绍了肿瘤治疗中常用的具有靶向性、可控释放的纳米颗粒载药系统,系统地描述了纳米颗粒在药物输送系统的最新研究进展,并对今后的发展方向作了展望。     

基于多肽自组装的人工金属酶

模拟酶,又称人工酶,是在分子水平上模拟天然酶活性部位的形状、大小及其微环境等结构特征的分子或分子聚集体。随着纳米科学和超分子技术的发展,构筑具有生物催化活性的超分子模拟酶已经成为科学研究和应用开发领域的热点。肽组装金属酶是以多肽分子为基本单元,在非共价作用力协同作用下形成的超分子组装体。相比其他功能性材料,肽人工金属酶的结构及生物化学性质更接近天然酶,其分子本身更利于修饰改造,且生物相容性和功能性较好,使其在模拟酶方面具有独特优势。本文总结了近年来通过多肽自组装构建人工金属酶的研究进展,重点综述了多肽组装模式、组装体微观结构、超分子结构、金属活性中心微环境以及pH值对模拟酶催化活性的影响。增加自组装微结构的稳定性、增加催化活性以及扩大由人工酶催化的反应类型是肽人工金属酶研究中的主要挑战。构筑更加稳定的肽自组装纳米结构及更加精确的活性中心以模拟天然酶的结构和活性中心是正确的策略。     

聚苯胺纳米纤维固定化辣根过氧化物酶的合成及性能研究

FeCl3为氧化剂合成了聚苯胺纳米纤维,纤维直径20~30 nm,并以此为载体对辣根过氧化物酶进行了固定化.SEM,FTIR,UV-Vis等结构表征证明辣根过氧化物酶HRP中的质子可作为掺杂剂与聚苯胺主链中的氮结合,酸根离子作为对阴离子依附于聚苯胺主链周围,实现了聚苯胺载体对生物酶的固定化.聚苯胺纳米纤维具有较大的比表面积,有利于增加酶的负载量,提高固定化酶活性.该方法简单,快速,载体材料无需活化.与游离酶相比,固定化酶对pH,高温的耐受性,不同温度下的热稳定性均有了明显的提高,在4℃条件下保存7周后固定化酶活性几乎没有损失,重复使用6次后仍可保持80%的酶活,说明纳米结构的聚苯胺是一种良好的载体,可实现生物酶的高效固定化.     

金属有机框架材料在传感分析和纳米治疗中的应用进展

金属有机框架(MOF),一类由金属节点和有连接体连接而成的多孔结晶材料,具有孔径可调、比表面积大、孔隙率高等特点,因其纳米级尺寸和可控性结构,形成的类酶催化活性的MOF材料逐渐引起科研人员的高度重视。和传统的天然酶相比,该类具有拟酶活性的纳米材料拥有许多优点,如产量高、价格低廉、稳定性好等。为了对这一快速发展的新兴领域进行概述,本综述先讨论了基于MOF介导的传感分析(比色传感、荧光传感、表面增强拉曼散射传感、化学发光传感和电化学传感),随后介绍了MOF在肿瘤治疗、药物输送和其他疾病的临床应用,最后提出MOF目前面临的挑战以及未来的研究方向。     

细胞内原位纳米催化在疾病诊断与治疗中的应用

纳米催化剂因其经济、 稳定以及可量产等优势, 实现了细胞内原位催化反应, 为分子水平人工调控细胞功能提供了可能. 人工纳米催化剂优异的催化性能使其在不同生理和病理条件下成功用于诊断成像和治疗. 本文综合评述了具有天然酶活性的纳米催化剂在癌症和氧化应激治疗以及基于纳米催化剂介导的细胞内原位催化反应的精准诊断成像方面的主要研究进展, 并对纳米催化剂在未来生物医药领域应用中面临的挑战和机遇进行了展望.     

细胞膜修饰的纳米载体与肿瘤免疫治疗

纳米载体由于其纳米尺度带来的独特生物功能性,可通过特定设计在生物体内靶向递送各类抗肿瘤药物,具有广泛而重要的应用前景。自肿瘤免疫疗法问世之后,各类纳米载体与肿瘤免疫治疗相结合,逐渐成为提升肿瘤免疫治疗效果的重要手段之一。其中,细胞膜修饰的纳米载体作为一类新型仿生药物载体平台,可使纳米载体获得天然细胞膜的伪装修饰,将细胞膜的特定功能与生物特性转移至纳米载体,使其具有更强的抗免疫清除、血液长循环和肿瘤靶向等特性,同时降低纳米递送系统的免疫原性和细胞毒性,在生物医学应用领域尤其是肿瘤免疫治疗中可发挥更大的作用。本文通过结合免疫治疗的机理,对近年来各种细胞膜修饰纳米载体系统的制备方法、作用机制以及在肿瘤免疫治疗中的应用研究进行综述,并在此基础上对未来的相关探索做出了展望。     

贵金属基纳米酶的研究进展

贵金属纳米材料在纳米尺度具有独特的光学、 电学性质及优异的催化性能, 是一类重要的功能纳米材料. 基于贵金属材料的纳米酶研究是贵金属纳米材料在生物医学领域的一个前沿研究方向. 贵金属基纳米酶具有特殊的光学性质、 较好的化学稳定性、 可调控的类酶活性及良好的生物相容性, 是目前纳米生物医学领域的热点研究材料. 本文总结了贵金属基纳米酶的活性种类、 活性机理、 活性调控以及在生物医学等领域的潜在应用.     

DNA增强金纳米颗粒过氧化物模拟酶活性检测K~+

许多纳米材料因具有与天然酶类似的催化活性而被应用于过程催化和酶促动力学分析等领域.本研究发现,当单链DNA如核酸适配子包被在金纳米颗粒表面时,金纳米颗粒的过氧化物模拟酶活性被增强,能催化更多的酶底物3,3′,5,5′-四甲基联苯胺(TMB)生成氧化态的蓝色产物,在650 nm处出现特征吸收峰.若进一步加入能与核酸适配子结合的靶物如K+,由于靶物与核酸适配子的特异性结合形成G-4折叠而从金纳米颗粒表面脱离,导致模拟酶活性降低,溶液颜色变浅,650 nm处的吸光度值随之降低.以此为反应基础,建立了靶物K+的可视化检测分析方法.以650 nm处吸收值变化(ΔA650)对K+浓度的自然对数进行拟合,发现在1.5×10-4~2.8×10-3 mol/L范围内有良好的线性关系,相关系数(r)为0.9916.本方法有很好的选择性,同时具有较强的普适性,可应用于其他具有核酸适配体的物质检测.