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[转载]你的纳米酶催化概念用错没有?

已有 980 次阅读 2022-5-11 11:22 |个人分类:催化资源收藏|系统分类:科研笔记|文章来源:转载

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在过去的20年里,纳米颗粒已经成功地应用于许多不同领域的催化剂。这些基于纳米颗粒的催化剂遵循催化的经典定义,在纳米技术的成功中占据着越来越重要的地位。2004年,Manea等人报道了一种由金纳米颗粒催化的转磷酸化反应,称之为纳米酶催化剂。这项最初的工作迅速引发了纳米颗粒在许多不同反应中作为潜在催化剂的使用在过去的15年里,新词“纳米酶”变得非常流行,并产生了大量的文章和评论。2022年4月27日,使用“nanozyme”作为关键词,可以在科学网上找到与43222篇引用相关的1991篇文章(以及相对较高的38%自引水平)(图1)。



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图1. 2022年4月27日在WoS(所有领域)中使用“nanozyme”作为关键词的文章和引用数量。


声称纳米酶是酶模拟物表明这些纳米颗粒应该具有类似于酶的性质。作为生物催化剂,酶有两个基本要素:一是高效的催化活性,二是特定反应的特定机理。此外,许多酶不像简单的催化剂,但它们表现出高水平的底物选择性,并且能够在一系列类似的化学结构中选择特定的底物。自发现以来,酶根据其所进行的催化反应的不同类别被划分为主要类别:氧化还原酶、转移酶、水解酶、裂解酶、异构酶、连接酶、易位酶等。这些主要类别中的每一个都根据底物的性质和所涉及的化学机制进行细分。例如,限制性内切酶在切割DNA时识别核苷酸序列具有非常高的特异性。这些限制性内切酶与连接酶的联合使用一直是DNA物理图谱和分子遗传学应用(诊断工具、新生物制药等)所有进展的起源。


在能够进行氧化反应的酶中,细胞色素P450是一个重要的单加氧酶系列,能够选择性地使许多不同的底物羟基化,用于内源性生物合成或外源性物质的解毒。另一方面,过氧化物酶及其仿生模型专门催化多种底物的双电子氧化,这些底物共同具有与过氧化氢相关联的高价金属氧物种相容的氧化还原电位。在ACS Catalystation(2020年12月4日)最近的一篇社论中,有报道称,酶模型应该模拟酶催化的反应,也就是说,需要以类似或密切相关的机制执行相同类型的反应(涉及相同的底物和相同的产物)。


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自从Gao等人在2007年发表文章以来,许多文章都致力于描述为过氧化物酶模型的纳米酶。然而,这些报告提出了两个问题:(i)这些纳米颗粒是真正的催化剂吗,(ii)它们是模拟过氧化物酶的特定反应(即双电子氧化),还是在化学计量或催化反应中生成羟基自由基?第一个问题涉及类过氧化物酶纳米酶的催化活性。在常规教科书中,催化剂被定义为当相对于参与反应的底物少量添加时,能够提高化学反应速率的物质。催化剂以其周转数(或TON)为特征,其催化活性以周转频率(TOF)为特征,TOF是单位时间内的TON。这些基本定义预计也适用于纳米颗粒,就像它们适用于化学催化剂、酶或仿生催化剂一样。为了计算纳米酶的催化活性,活性位点数量的评估显然是一个关键问题。最近有人强调,“当纳米材料中的活性位点数量未知时,不应声称纳米材料具有比酶更高的活性”。


▲表1. 辣根过氧化物酶(A)或Fe3O4纳米颗粒(B)氧化3,3′,5,5′-四甲基联苯胺

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关于“类过氧化物酶”的纳米颗粒催化剂提出的第二个问题涉及其氧化机制:它们是模拟过氧化物酶的特定反应,即双电子氧化,还是在化学计量或催化反应中生成羟基自由基?众所周知,在芬顿反应中,低价金属痕量存在下,H2O2的单电子氧化很容易产生羟基自由基(HO•),它是化学中最强的氧化剂之一。HO•能够以受控扩散速率提取氢原子或使不饱和键羟基化。芬顿反应的底物氧化不同于过氧化物酶型氧化,每个反应都有自己的机理。不准确的命名不利于正确理解和准确描述反应和过程。由于所有有机化学品都是芬顿反应的潜在目标,芬顿氧化和过氧化物酶模拟氧化之间的差异应通过在HRP催化氧化中提供特定产物的底物来确定。使用5-羟基吲哚衍生物(9-羟基-N2-甲基埃利替啶醋酸盐)在HRP催化氧化时提供醌亚胺衍生物,作者已经证明,类似过氧化物酶的磁铁矿纳米颗粒不会发生这种氧化。相反,这些纳米颗粒引发的边缘氧化是由不定金属痕迹生成的HO•介导的。


此外,一些关于基于磁铁矿纳米酶氧化TMB的报告了Michaelis–Menten数据,以支持类似酶的行为。然而,应记住,此类动力学分析仅在两种情况下可靠:(i)反应应为催化反应,以及(ii)底物浓度应足够高,以饱和酶活性位点。这些条件是有效稳态近似所必需的,并允许计算动力学参数Vmax和KM。文献中报道的磁铁矿纳米颗粒的假饱和曲线并不反映类酶催化剂的饱和,而是由于底物的有限非催化氧化导致底物转化达到平台值。



总之,到目前为止,几乎所有的“类过氧化物酶纳米酶”都是以非催化方式产生羟基自由基的纳米颗粒,远远不同于过氧化物酶催化的典型双电子氧化概念。这些没有催化活性的纳米颗粒应该考虑它们是什么,而不是它们没有什么。作者认为,未来将有可能创造出真正的纳米酶,能够模拟酶的大多数特性,就像几十年前血红素酶的化学模拟一样。


Anne Robert and Bernard Meunier

ACS Nano Article ASAP

DOI: 10.1021/acsnano.2c02966


https://mp.weixin.qq.com/s/0AiWcREqxOKtnROWA8cDHw


面对质疑,两位院士发表见解:何以谓之,纳米酶?

最近,ACS Catalysis 的一篇题为“nano-apples and orange-zymes”的社论质疑“纳米酶”这个词是否合适。由于纳米酶的跨学科性质,该术语的确切含义并不总是很明显。



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于此,作为一直倡导纳米酶的研究人员,生物物理所阎锡蕴院士、长春应化所汪尔康院士等人在Nano Today上提供了他们的见解,澄清一些关键问题,并促进该领域的更深入思考。


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“纳米酶”借用“纳米材料”和“酶”两个词,与核酶、抗体酶、化学酶、脱氧核糖核酸酶、合成酶等命名模式相同。与酶和常规人工酶相比,纳米酶具有成本低、高稳定、量产、多功能。这些优势为纳米酶的合理设计和更广泛的应用提供了更多的可能性。


迄今为止,纳米酶领域已经发表了 7500 多篇出版物,报道了大约 300 种具有催化活性的不同纳米材料,用于转化氧化还原酶的底物(例如过氧化物酶、过氧化氢酶和超氧化物歧化酶 (SOD))、水解酶(例如脲酶、蛋白酶、磷酸酶、核酸酶和葡萄糖醛酸酶)、裂解酶(例如碳酸酐酶和光裂解酶)和异构酶(例如拓扑异构酶 I),代表六种主要酶类型中的四种。这些催化纳米材料又被用于各个领域,从分子检测和肿瘤治疗到环境治疗。


鉴于该领域的当前发展,纳米酶可以定义为在生理相关条件下催化酶底物转化为产物并遵循酶动力学(例如 Michaelis-Menten,即米氏方程)的纳米材料,即使反应的分子机制可能不同纳米酶和相应的酶。虽然这个定义只要求纳米酶在生理相关条件下工作,但最有可能的是,纳米酶可以在通常会使酶变性的恶劣条件下工作。需要强调的是,纳米酶仍然是一个快速发展的领域,纳米酶的普遍接受的定义在很长一段时间内仍然是一个悬而未决的问题。


ACS Catalysis 的社论认为,“为了获得这个标签,酶模拟物应该表现出与酶的一些结构和或功能相似性”。虽然大多数报道的纳米酶尚未满足这一标准,但出于以下列出的原因,研究人员相信更广泛的定义将有利于该领域。


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通过学习天然酶设计纳米酶

酶学已经建立了一套研究方法,并且已经深入研究了许多酶,这些方法已经并将继续为纳米酶的设计和开发提供信息。与任何人工酶一样,构效关系的研究也是纳米酶的关键。虽然早期对纳米酶的研究更多地描述了它们的特性,但最近出现了构效关系研究,以了解其机制并指导新纳米酶的设计。这结合了纳米科学(例如量子限制效应)、催化(例如单原子催化)、酶和人工酶的知识,专注于一个目标:阐明催化机制


受天然酶的启发,已经开发出许多纳米酶来模拟天然酶的结构并调整它们的活性或选择性。如在一项研究中,单个 Fe-N 位点嵌入石墨烯上,类似于辣根过氧化物酶 (HRP) 中的血红素辅因子,与未掺杂的石墨烯相比,其类过氧化物酶的活性提高了 700 倍。


酶通常具有底物通道(或结合袋)以促进催化反应,并且纳米酶也可以被设计来模拟这种策略。如最近,设计了具有隔离底物通道的 PtNi 氧还原纳米酶来模拟酶的纳米限制反应体积,从而导致更高的转换率和电催化活性。这些研究表明,仅仅通过整合酶的部分结构特征,纳米酶的活性和选择性都可以得到提高。


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图|通过模仿天然酶的结构特征设计纳米酶


纳米酶在体外和体内都作为酶的替代物

大多数纳米酶研究都是由应用驱动的,其简单目标是用更稳定、更具成本效益且有时更具活性的纳米材料替代天然酶。虽然在此类工作中,纳米酶当然可以称为催化纳米材料,但我们相信纳米酶的名称鼓励了这些研究工作的概念化。例如,具有类似 HRP 活性的纳米酶已广泛用于 ELISA,灵敏度比常规HRP的要高约 110 倍


此外,由于它们作为纳米材料和酶模拟物的双重特性,纳米酶可以完成酶无法实现的功能。例如可以在海水或胃酸等恶劣环境中应用。研究还表明,纳米酶在细胞和动物水平上还实现了天然酶的生理功能


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图|纳米酶在体外和体内充当天然酶取代物


小结

在讨论纳米酶作为一个术语时,研究人员引用了 Jean-Marie Lehn 的批判性思想:“定义是有一个清晰、精确的核心,但通常其边界是模糊的,区域之间会发生相互渗透。这些模糊区域实际上起到了积极的作用,因为经常在那里可能会发生区域之间的相互影响”。对于纳米酶这样一个新兴的跨学科领域,虽然需要一个核心定义,但我们也相信一个模糊的边界,在那里将进行创新。


总体而言,研究人员认为“纳米酶”一词对于描述催化纳米材料在生物系统中的功能和设计功能性酶取代基很有价值。重要的是,纳米酶固有地结合了纳米级和酶样催化特性。纳米酶将有力地推动纳米技术与生物学之间的交流,带来新的思想和学术热情。


参考文献:

Hui Wei, et al., Nanozymes: A clear definition with fuzzy edges. Nano Today 2021.

https://doi.org/10.1016/j.nantod.2021.101269

Susannah Scott, et al., Nano-Apples and Orange-Zymes. ACS Catal. 2020, 10, 23, 14315–14317

https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acscatal.0c05047

https://mp.weixin.qq.com/s/9NkUbIum5EhVuEqvAepEUA



纳米酶十年:从原创走向领跑

2007年,中科院生物物理所阎锡蕴团队发现的纳米酶入选两院院士评选的年度“中国十大科技进展”。这一发现打破了无机与有机世界的界限,开辟了一个新领域。

10年过去了,阎锡蕴团队继续在纳米酶领域深耕。近3个月来,他们连续发表3篇论文,实现了纳米酶从发现到设计、从检测到肿瘤治疗的目标,补全了纳米酶的定义版图。

7月2日,中科院院士、中科院生物物理所研究员阎锡蕴团队在《自然—实验手册》上发布了一项学术成果,这是该团队3个月来发表的第三篇重要论文。阎锡蕴说:“今年是纳米酶发现后的第十年。”—— 这一年硕果频现:她们证实了纳米酶能用于体内肿瘤治疗;拿到了纳米酶产品的首个医疗器械证书;定义了纳米酶活性单位;还补全了纳米酶的定义版图。

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放眼全世界,近10年间,纳米酶研究已在26个国家逾220个实验室开展,其应用研究也拓展到了生物、医学、农业、环境治理、国防安全等多个领域。而中国科研人员也实现了在自己开创的领域里领跑全球的目标。

纳米酶: 一个跨界范儿十足的名字

“纳米”遇上“酶”,是个跨界范儿十足的名字。阎锡蕴曾给纳米酶下过一个长定义:“在纳米尺度上,能呈现出酶学特性的无机材料。与天然酶类似,能在温和的生理条件下高效催化酶的底物,产生与天然酶相同的反应产物,并可作为酶的替代品调节细胞代谢,用于疾病的诊断和治疗。”

从2007年那篇开创性的论文开始,阎锡蕴团队用一个又一个学术成果不断完善这个定义,直到最近的3篇论文连续发表,才为上述定义画上完美句号。

当年发现纳米酶的博士生高利增,如今已是扬州大学青年千人教授,他与阎锡蕴课题组合作,设计出具有4种不同酶活性的新型纳米酶——氮碳纳米酶。这种模拟酶可以在不同环境下表现出不同特性。在肿瘤细胞内的酸性环境中,它能发挥氧化酶和过氧化物酶活性,催化肿瘤特征性的代谢产物,生成高毒性的活性氧自由基,从而杀伤肿瘤细胞。

如何把这个肿瘤杀手精准地送进敌营呢?几年前,阎锡蕴团队就研制出一种直径12纳米的铁蛋白药物载体,这种载体可与肿瘤细胞膜上的转铁蛋白受体结合,从而实现靶向运输。

在4月3日发表于《美国化学学会—纳米材料》的论文中,阎锡蕴课题组与中科院自动化所田捷课题组合作证实,铁蛋白药物载体与转铁蛋白受体结合后,可以穿越血脑屏障,并实现对原位恶性脑胶质瘤的靶向和有效治疗。

把铁蛋白修饰到氮碳纳米酶上,就像为武器装上了导航,把子弹变成了导弹。阎锡蕴团队的副研究员范克龙在动物荷瘤实验中,发现这枚“导弹”会让肿瘤越变越小,有些甚至结痂。这一结果4月12日在《自然—通讯》上发表,建立了纳米酶靶向催化治疗肿瘤的新策略。

“至此,我们完整地阐释了纳米酶的定义,完成了纳米酶从发现到设计、从检测到肿瘤治疗的全部环节。”阎锡蕴总结道。

中国原创 领跑全球

阎锡蕴笑称:“我们起了一个名字,当时并没料到会开辟一个新领域。”

纳米酶问世以来,短短几年间就获得了国内外同行的认可:不仅被收入《中国大百科全书》;还在国际知名杂志《微尺度》上有了自己的专栏,在国际学术出版社Springer有了自己的英文专著;国际学术大会上,“纳米酶”分会场迎来越来越多的同行……

英国皇家化学会刊综述如此评价纳米酶的发现:“改变了传统观念,开辟了新的研究方向,推动了纳米材料在生物医学的应用。”

去年10月举行的纳米酶主题香山会议上,中科院生物物理所研究员张先恩通过文献数据分析,称中国科学家发表的纳米酶论文数量占比达70%,高引用论文占比达80%,近十年来高引用论文的前十名均来自中国学者。他指出,中国学者在纳米酶方向的研究处于国际领先地位。

这次大会上,来自全国20多个单位不同领域的专家一致认为:纳米酶是我国科学家的原创发现,也是多学科交叉协作的典范;我国科学家的原始理论创新,奠定了我国纳米酶基础研究和应用研究的世界领跑地位。

让纳米酶从可用到好用

2015年,阎锡蕴团队凭借纳米酶试纸条获得Atlas国际奖。这种试纸条与传统试纸条相比,灵敏度提高了两个数量级。在产品检验阶段,公安部物证鉴定中心、南方医科大学等单位参与了第三方验证。

一根看似普通的拐杖,在雨后的淤泥里已经浸泡了数月。用传统的胶体金方法进行血迹检测,结果呈阴性;换上纳米酶试纸后,出现了一道细浅却分明的红线,证明拐杖上曾经沾染过血液。面对物证,犯罪分子最终招认,这根拐杖正是他作案的凶器。

“经过一次次的验证,我们对纳米酶产品更有信心了。”负责成果转化的阎锡蕴团队的高级工程师张德玺说。

今年,两个纳米酶产品——便潜血检测试剂盒和转铁蛋白检测试剂盒获得了医疗器械注册证。他们还为试剂盒开发了相配套的全自动纳米酶免疫层析仪,以推动产品模式由单纯试剂向仪器试剂一体化演变。

中科院院士解思深曾对阎锡蕴说:“如果你们当年发现纳米酶后,自己不去耕耘这个领域,就不会有后来的成绩。”阎锡蕴对这句话感触颇深:这些研究成果发表之初,就已经是令人称羡的高影响因子论文了。如果大家就此满足,纳米酶研究或许从此就被束之高阁,也有可能被他人捷足先登。

好在他们选择了另一条路:向成果转化下游进发,充分挖掘纳米酶的应用潜力。这条路更加艰难、充满挑战。

阎锡蕴在学术会议上分享铁蛋白药物载体的成果时,引来药企人员的高度关注。他们纷纷询问,这种载体最多能装多少分子的药物?“我当时没有答上来。”阎锡蕴说,“我们做基础研究,想着能装药就已经很好了。但是面向实际应用的人,就会关心最大载药量和包封率,这直接关系到产品的成本和成药性。”

回到实验室,阎锡蕴马上把新的任务布置下去。经过师生们的共同努力,铁蛋白纳米载体的载药量从30分子增加到200分子。目前,这种铁蛋白包裹化疗药物阿霉素的新药已经进入临床前试验阶段。

关于纳米酶的机制与应用研究仍在继续,阎锡蕴团队昨天发表的这篇论文,首次定义了纳米酶的催化活性单位,这让纳米酶产品在疾病诊疗中变得可以量化,将有利于相关产品的评价及开发。

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