阎锡蕴院士：开拓纳米酶研究新领域

日期：2016-06-09　　浏览次数：7951

编者按：阎锡蕴院士1982年毕业于河南医学院，1983—1989年在中国生物物理学奠基人贝时璋先生实验室工作。1993年在德国海德堡大学获医学博士学位，随后在美国Memorial Sloan-Kettering癌症研究中心Alan Houghton教授实验室开展博士后研究，1997年入选中国科学院“百人计划”。她在纳米酶的发现、鉴定和应用方面做了一系列系统性的研究，成果曾两度入选中国十项重大科学进展、荣获国家自然科学奖二等奖和国际Atlas奖，2015年当选中国科学院院士，同年当选为亚洲生物物理联合会主席，成为该组织成立以来的首位女科学家主席。

酶是一类具有生物催化功能的高分子物质，几乎所有的细胞活动进程都需要酶的参与，以提高效率。1926年美国科学家James B. Sumner首次得到结晶脲酶并证明这些晶体是蛋白质，因此获得1946年诺贝尔化学奖。由于蛋白质在遇到热、酸、碱等非生理条件时会失去活性，另外酶的制备工艺复杂、价格昂贵，所以在过去的几十年中，科学家们一直在寻求用化学方法来合成稳定、经济、能够适应非生理条件的模拟酶（enzyme mimics）。美国科学家Donald J. Cram和Charles J Pedersen于1967年提出“主-客体化学”（host-guest chemistry）理论，不仅解释了模拟酶与底物的关系，还试图用于指导模拟酶的设计，这项工作于1987年获得了诺贝尔化学奖。然而，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。

阎锡蕴研究组发现一类高效的模拟酶，提出纳米酶新概念

纳米酶（Nanozyme）一词最早出现于2004年，指纳米载体固定化酶，即将酶/催化基团表征在纳米材料上，从而使其获得催化特性。这个概念的纳米酶，其催化功能来自于酶，而阎锡蕴研究组于2007年首次发现，某些纳米材料本身就具有酶学特性，从而更新了纳米酶的概念。该研究结果于2007年发表之后（Gao et al., 2007），随即引起纳米科学和生命科学领域的极大关注（Perez, 2007），并很快被多家实验室独立验证。在随后的几年中，有50多种纳米酶被发现。2013年，英国皇家化学会刊发表题为“Nanozyme: Next-generation artificial enzymes”的长篇综述（Wei and Wang, 2013），认为纳米酶的发现不仅改变了“无机纳米材料属于惰性物质”这一传统观念，揭示了纳米材料的新特性，而且为模拟酶的发展开辟了新方向。

纳米酶的优点

双功能：除了催化活性之外，纳米酶还具有纳米材料独特的物理和化学特性（比如CdS纳米颗粒具有的荧光特性可以被用来发展新型的探针分子，用于疾病诊断）。

催化效率高：在催化同样的底物TMB时，Fe₃O₄纳米酶的米氏常数（Km）为0.098nM, 而辣根过氧化物酶的Km为0.434nM。

催化活性具有可控性：同天然酶一样，纳米酶的催化活性也依赖于pH、温度和底物浓度，但纳米酶比天然酶更稳定，能适应更大范围的pH和温度变化，比如Fe₃O₄纳米酶在经过pH10或80°C的条件处理后，仍能保持80%的催化活性。

具有再生功能：纳米酶经反复使用后仍具有良好的催化活性（在降解污水中致癌物苯酚的催化活动中，Fe₃O₄纳米酶经过5次循环使用后，仍能保持其原有的催化活性）。

纳米酶的应用

环境监测和污水处理：在酸雨监测中，传统检测雨水中H₂O₂的方法是使用辣根过氧化物酶，但过酸的条件会影响天然酶的活性，影响最终检测结果，而人工模拟酶的活性又比较低。阎锡蕴研究组利用纳米酶的稳定性高和催化效率高的优点（Zhuang et al., 2008），发展了快速检测出雨水中H₂O₂的新方法，并可以反复利用。该研究组（Zhang et al., 2008）还发现，纳米酶通过催化H₂O₂产生的大量自由基可以有效降解污水中的致癌物苯酚，因而可以用于污水处理，纳米酶在污水治理方面的应用正在广泛开展。

血糖检测：葡萄糖的检测是糖尿病检测的重要内容，临床常用的方法是葡萄糖氧化酶比色法（双酶联用法），即首先用葡萄糖氧化酶催化葡萄糖产生H₂O₂，然后用腊根过氧化物酶催化H₂O₂产生羟基自由基，后者与底物反应并产生颜色，根据颜色强弱来确定葡萄糖的含量。Wei and Wang（2008）利用纳米酶的双功能优势，不仅取代了比色法中的辣根过氧化物酶，而且把葡萄糖氧化酶直接固定到纳米粒的表面，发展了一种更为迅速、简便而且成本低，稳定性高的葡萄糖的检测方法，具有很好的应用前景。

肿瘤诊断：利用纳米酶的特性和仿生学原理，阎锡蕴课题组于2012年（Fan et al., 2012）创造性地发展了一种双功能探针—铁蛋白纳米粒，用于肿瘤的快速诊断。这种纳米粒的蛋白外壳能够特异识别肿瘤细胞，而其氧化铁纳米内核又能催化底物显色，这样就能将肿瘤细胞与正常细胞区分开来，从而简化了临床常用的肿瘤免疫组化的多步骤操作，实现了快速、简便的肿瘤诊断。通过对10种1454例临床常见肿瘤标本的筛查，发现这种新型铁蛋白纳米粒肿瘤诊断的灵敏度为98%，特异性为95%，均高于临床常用的诊断方法，而且更为经济。

抗菌作用：由于细菌的生物膜具有一种特殊结构，即外部具有起保护作用的由多糖、核酸和蛋白组成的胞外聚合物，使得抗生素和其他药物分子难以进入。最近的研究发现（Zhang et al., 2013），Fe₃O₄纳米酶在H₂O₂存在时，可以催化其产生大量的自由基，有效降解细菌生物膜的多种组分，从而起到灭杀细菌的作用，因此Fe₃O₄纳米酶提供了一种新的杀菌方法，具有重要的应用前景。

传染病检测：2014年在西非爆发了埃博拉疫情，在当时缺乏有效治疗手段的情况下，精确诊断成为控制疫情的关键。阎锡蕴课题组巧妙地利用Fe₃O₄纳米酶的双功能特性（即磁性和过氧化物酶活性），发展了一种新型的纳米酶试纸条技术，灵敏度比传统试纸条提高了1000倍（Duan et al., 2015），结果一经发表，就迅速在传染病检测领域引起轰动，多篇评论文章称，纳米酶试纸条技术解决了传统试纸条方法灵敏度低的瓶颈问题，有望成为控制埃博拉传播的利器。该研究成果还获得了爱思唯尔首次在中国颁发的Atlas国际奖。

疾病治疗：同时具有过氧化物酶和过氧化氢酶双酶活性的Fe₃O₄纳米酶，当其在细胞内发生催化反应时会影响细胞的活力。Zhang et al.（2016）发现，摄入细胞内的Fe₃O₄纳米酶能显著降低某些因子诱导的高活性氧水平上升及细胞凋亡。当食物中添加Fe₃O₄纳米酶时，果蝇在老年阶段的运动能力更强，平均寿命也显著延长，而且能改善阿尔兹海默症的症状。这些研究表明，纳米酶在对抗代谢性疾病、神经退行性疾病和衰老方面有着潜在的治疗用途。

展望

作为一个新兴的领域，纳米酶研究还存在许多未知和挑战。比如：为什么不同的纳米材料具有相同的酶活性，而一种纳米材料具有不止一种酶活性？这其中机理的阐明将会指导科学家们更好地设计未来的模拟酶；如何提高纳米酶的选择性和特异性？虽然迄今为止已有50余种纳米酶被发现，但催化种类大部分集中在氧化还原反应，与自然界中天然酶催化的6类5000多种生化反应相比，我们有更广阔的空间去寻找更多种类的纳米酶；如何把纳米酶的催化活性与其物理和化学特性巧妙地结合起来，以创造出更多奇妙的新功能？纳米酶这个新兴的交叉学科无疑会为医学、化工、食品和环境等领域做出更大的贡献。

参考文献：

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注: 本文正文内容根据阎锡蕴院士在第18次院士大会上所作的报告编录。