中國網/中國發展門戶網訊 納米酶是為數未幾的由中國科學家發現的新領域。從新現象的發現，到新技術的發明及新產業的孕育，我國在納米酶領域始終處于領先地位。例如，原創地提出納米酶的新概念、樹立表征催化活性的方式；制訂納米酶術語國家標準及相關的催化活性國家和國際標準；出書《納米酶學》英文專著；將化學催化與酶催化的道理有機融會，創造了催化活性接近或超出自然酶的單原子納米酶；2018年首個納米酶產品完成了臨床驗證，獲批我國醫療器械注冊證并進行了產業轉化。近年來逐漸衝破工業級規模化生產瓶頸，標志著納米酶已經從科學研討、技術發明到產業化的完全閉環。為了更好地推動納米酶領域的發展，拓展對納米酶的認識，本文回顧納米酶發現，剖析凝練納米酶的學科特點及其知識結構，綜述了納米酶的應用，并瞻望了未來的發展趨勢。
納米酶的發現
在納米標準上，物質會表現出別樣的性質，例如，小尺寸效應、比概況積效應和量子效應等。這些性質使得納米資料在物理學、化學、生物學、信息和資料學等領域展現出獨特的價值。例如，蝴蝶同黨概況獨特的納米結構導致的黑色效應，隱形飛機涂層納米結構賦予的“接收聲波”效應。隨著納米技術的高速發展，人們逐漸開始應用物質在納米標準的特別效應，研討與操縱物質，以開發新的資料、裝置和機能。例如，2023年諾貝爾化學獎被授予Moungi G. Bawendi、Louis E. Brus和Alexey I. Ekimov 3位科學家，以表揚他們在“發現和分解量子點”方面的科學貢獻。由于量子效應，量子點的顏色呈現出典範的納米標準效應，在顯示屏、柔性電子產品、微型傳感器、超薄太陽能電池等領域有很好的應用遠景。
自20世紀90年月以來，有研討發現某些納米資料具有類酶催化的效能，但最開始并沒有惹起科學界較多的關注。2007年，閻錫蘊團隊報道了一種新的納米效應，既納米粒子Fe3O4具有辣根過氧化物酶的催化活性，見（圖1a）。團隊從酶學催化和動力學角度闡釋了無機納米資料的酶學特徵，并將其定名為“納米酶”。納米酶的催化活性與其尺寸鉅細有關：雷同質量下，納米顆包養粒越小，整體催化效力越高，見（圖1b）。由此發現納米資料的“小尺寸效應”恰是納米科學領域研討的關鍵科學問題。
納米酶的發現并不是計劃的產物，而是具有很強的偶爾性。長期以來，閻錫蘊團隊一向努力于腫瘤免疫學研討。在摸索腫瘤診斷新方式時，研討人員援用了納米技術，將識別腫瘤的抗體與Fe3O4納米顆粒結合，以實現對抗原的磁力富集檢測。但是實驗結果出人意料，底本陰性對照組中的納米粒子，居然與酶的底物反應，并產生好像自然酶一樣的產物。最後，研討人員以為是實驗過程中的某種淨化導致。經過反復驗證，最終證實這種類似自然酶的催化反應的確是來自于無機納米資料自己，即Fe3O4納米顆粒本身具有類似于辣根過氧化物酶的性質。在證明其廣泛規律之后，研討人員將這種奇異的納米生物效應定名為納米酶。
納米酶是一種新型模擬酶，分歧于自然酶、傳統的小分子模擬酶和化學催化劑。研討發現納米酶的催化反應處于納米粒子的概況，不是從中釋放的鐵離子所致。它的催化是由特定原子組成的納米結構介導的，與自然酶催化活性中間的結構更為類似。別的，納米酶催化的是自然酶的底物，其酶促反應動力學和催化機制與自然酶類似，對底物具有選擇結合才能，並且能夠作為自然酶的替換品，用于人類安康。與此同時，納米酶的出現使人們對納米效應的認知從物理學、化學拓展到生物學。納米酶同時也豐富了納米生物學的內涵，使該領域研討人員從研討“生物與納米資料”彼此感化，發展到研討納米資料本身潛在的生物學效應，為納米生物學開啟了新的研討標的目的。
納米酶的問世，在宏觀層面上進一個步驟打破了有機生物物質與無機資料之間的界線，拓展了人類對于天然和性命根源的認知范疇；在微觀層面上對于人工酶和模擬酶的認識也更為深刻，豐富了其設計優化的手腕和方式。隨后，國內外良多實驗室陸續發現其他多種納米資料具有類酶活性。2013年汪爾康團隊以《納米酶：新一代人工酶》為題發表長篇綜述，引進“nanozymes”一詞，引發了更多關注。納米酶研討經過最後10余年的平靜期之后，當前已經進進了高速發展期，2000—2023年納米酶焦點領域年發文量超過1600篇，年均增長率一向處于較高程度（圖2）。
隨著研討的深刻，科學家慢慢發掘出納米酶的新特徵。2020年，赫榮喬團隊發現鹽酸胍（GuHCl）能夠作為Fe3O4納米酶的可逆克制劑（圖1c）。GuHCl與H2O2競爭性結合Fe3O4納米酶，從而克制Fe3O4納米酶的過氧化物酶活性。2022年，張連兵團隊設計分解了一種基于錳納米金屬有機骨架資料（nMnBTC）的新型適冷納米酶，其在0℃—45包養℃下均表現出比其他模擬酶更好的類氧化酶活性，并且在—20℃環境下滅活流感病毒（圖1d）。適冷納米酶研討開辟了納米酶在低溫領域的生物醫學應用新途徑，也為納米酶催化機制研討開辟了新的標的目的。
今朝世界范圍內已有50多個國家的400多個實驗室正在開展納米酶相關領域的研討任務。在國際學術年夜會上，納米酶研討領域也迎來越來越多的同業。圖3展現了納米酶研討中的國際一起配合網絡。從今朝來看國際上納米酶研討構成了3個重要的一起配合群：綠色的一起配合群由中國主導，包括american、中東等多個國家或地區；紅色的一起配合群重要是由歐洲國家和印度構成；藍色的一起配合群由韓國、japan(日本)、澳年夜利亞和中國臺灣等構成。除此之外，以新加坡（紫色）為主導的一起配合國家較為集中于上述3類一起配合群，且分歧一起配合群之間也有比較緊密的一起配合關系。
納米酶的學科內涵
納米酶的發展歷史并不長，但經過眾多學者的盡力，納米酶的學科框架已經初步構成。無論是基礎科學問題，還是應用場景，以及相應的學科建制，都顯現出納米酶學科的體系化建設初見眉目。
酶的簡要發展歷程
生物體內各種各樣的酶在諸多原因的調控下，進行新陳代謝并行使著生物與化學催化的效能。有關酶的催化研討領域已經構成為生物化學的一門主要分支學科。例如，在幾千年前，我國已經出現了應用酶和發酵法釀酒、制醋、醬和飴糖等技術，但酶的研討歷史并不長。歐洲在19世紀對釀酒發酵過程進行了大批的研討。1833年，Anselme Payen和Jean-François Persoz通過酒精沉淀法在麥芽的水抽提物中獲得了淀粉糖化酶，并指出其催化特徵和不穩定性。包養直到1897年，Eduard Büchner用石英砂磨碎酵母細胞，制備了不含酵母細胞的抽提液，說明發酵的生物化學過程并不依賴于完全的細胞，而是酶感化的化學本質，自此便翻開了現代酶學與生物化學的新篇章。1926年，尿素酶晶體由James B. Sumner團隊分離獲得，酶是卵白質的觀點和論據被初次提出；1982年，Thomas R. Cech等發現了具有催化效能的RNA——核酶，開辟了酶學研討的新領域。酶的簡要發展過程見圖4。
隨著酶學研討的不斷深刻，人們發現，酶對于性命體是這般主要，正常性命活動離不開以酶為焦點驅動的各類生化反應。酶被廣泛應用于制藥、食物制造、剖析化驗、生物工程、紡織、造紙、皮革制造、飼料加工等行業，也是分解生物學、納米生物學等前沿穿插領域和技術體系的焦點“元件”。
酶是年夜天然給予人類的饋贈。但是自然生物酶在生物體內的含量不高，不克不及大批獲得，價格也比較昂貴，更關鍵的是自然生物酶的穩定性較差，對環境條件高度敏感，酸堿度或溫度的較小變化都不難掉往活性。是以，研討制備低本錢、高穩定性、適用條件寬泛的人工模擬酶日益主要，在此佈景下，納米酶作為一個學科領域應運而生。
從學科構成的條件來看，納米酶的學科建制已經初步構成。經過20年的盡力，納米酶已經被學術界甚至社會所認可：納米酶被支出《中國年夜百科全書》；國際著名學術期刊Advanced Materials、Small等還為納米酶開辟了專欄或專刊；Springer出書社出書了英文專著《納米酶學》；納米酶被國家重點研發計劃等資助；中國科學院、河南省分別設立了納米酶工程實驗室和華夏納米酶實驗室；中國生物物理學會成立納米酶分會；鄭州年夜學設立納米酶催化醫學河南省重點學科。
納米酶的學科特點
納米酶，是一類能夠在溫和或極端條件下催化酶的底物并遵守酶動力學（如米氏方程）將其轉化為產物的納米資料。從最早發現金屬氧化物，后來拓展到金屬類，甚至到現在金屬有機雜化，以及多肽卵白湊集體，已報道的納米酶大要有1 100多種。納米酶的基礎特征是靠納米結構組裝構成，不像自然酶靠折疊構成，產生涯性的機制紛歧樣。
納米酶供給了融會物質科學與性命科學的另一個選項，進一個步驟拓展了對于性命來源問題的認識。過氧化物納米酶是最後發現的一類納米酶，根據國際生物化學和分子生物學協會（IUBMB）對自然酶的分類方法，納米酶的催化類型今朝已經擴展到了氧化還原酶、水解酶、裂合酶、異構酶和連接酶等五年夜類。此中，有2類納米酶（超氧化物歧化納米酶、過氧化物納米酶）的催化活性已接近甚至超出了相對應的自然酶。與此同時，得益于無機資料的納米效應，納米酶作為一類獨特的催化劑，其催化效力較高，結構比較穩定，適用條件比較寬泛，不僅包含溫和的心理條件，還包含極端環境。納米酶還被國際純粹與應用化學聯合會（IUPAC）列進2022年“全球十年夜新技術”，其緣由就在于納米酶“結合自然和人工催化的氣力”。納米酶今朝被認為是一類新的效能資料，它既有納米資料的理化特徵和光電磁特徵，還有獨特的類酶催化活性。比較偶合的是，這些理化特徵有能夠會調控催化活性，使得納米酶跟傳統的小分子模擬酶區別開來，它有比較好的穩定性、耐高溫、低溫、耐酸堿、活性可調，是以遭到了廣泛關注。
從知識體系的角度來看，納米酶的學科特點重要表現為：
學科穿插。納米酶是納米資料理化性質與類酶效應的完善結合，觸及的知識基礎包含物理學、化學、納米科技、生物醫學、藥學、資料學等諸多學科，應用范圍橫跨化工、食物、醫藥、環境等多個行業。例如，文獻作為納米酶的里程碑節點，初次從酶學視角研討無機納米資料，重要作者的學科佈景包含了性命科學和醫學、納米資料、物理化學和酶學等，充足體現了穿插性。
應用導向。需求的拉動感化是納米酶發展的焦點動力。通過文獻計量研討發現，隨著納米酶影響力的不斷擴年夜，該領域研討從氧化鐵、金納米粒子延長到金屬有機骨架、碳點等資料，從過氧化物酶擴展到水解酶、裂解酶等類酶活性，從生物傳感拓展到抗菌、抗氧化、聲動力治療腫瘤、環境整治等應用。這些前沿主題很好地反應了納米酶的應用標的目的。
開放性。作為一個穿插學科的產物，納米酶的提出，無論是對于人工模擬酶的催化機制，還是對納米資料的生物效應，都會拓展新的發展空間。例如，Fe3O4納米顆粒兼具過氧化物酶和超順磁活性，納米熒光顆粒形態的硫化鎘（CdS）資料除了具有催化活性外，還具備穩定的光學機能。因包養此，納米酶也可以被視為是一種整合性的多效能分子。若何把納米酶的物理學、化學特徵與其催化活性有機結合起來，創造出更多巧妙的新效能，是未來研討的主要標的目的。盡管良多納米酶沒有表現出與酶的一些結構或效能類似性，可是納米酶對于描寫催化納米資料在生物系統中的效能和設計效能性酶替換品很有價值。納米酶將會無力地推動納米技術與生物學之間的交通，帶來新的思惟和學術熱情。
納米酶的知識結構
學科都有其基礎結構，隨著學科的發展，學科結構處于不斷變化之中，任何與該學科有聯系的事實、論據、觀念、概念等都可以不斷被納進該學科結構之內。厘清知識體系本身結構及其與應用技術領域邏輯的彼此關系，對學科發展至關主要。從納米酶的知識結構來看，重要有基礎理論、感性設計、技術方式、應用研討4個方面（圖5）。未來圍繞這4個方面的內容，科學配合體及相關人員通過不斷盡力，將納米酶打形成極具影響力的新興學科。
基礎理論。研討納米酶各類型催化的機理問題，闡釋納米酶標準效應與特異催化效能之間的彼此關系，發掘新型的納米資料并研討、總結其催化特徵，從渺小粒子角度和納米標準分析還原納米酶完全的催化過程，以及其酶學動力學和熱力學機制，樹立起完美、成熟的納米酶催化理論體系。基礎理論是納米酶學科的焦點，決定著未來發展的深度與廣度，也可以拓展對一些基礎科學問題的認識。
感性設計。若何開發有用戰略實現高機能納米酶的設計是納米酶研討領域的焦點問題。重要包含2個方面：應用結構生物學的方式進一個步驟進步其催化活性，重點關注納米酶各組成元件之間的構效關系，例如納米酶的顆粒尺寸、組分、界面與晶面、描摹、修飾等；借鑒仿生生物學的思緒模擬自然酶催化活性中間的構象結構，包含其周圍微環境中的氨基酸分子、輔酶、輔基和輔因子等以改良其催化活性。此外，探討納米顆粒在生物體內的代謝途徑，關注納米酶生物相容性及量化研討，可以拓展對納米酶體內行為的認識和懂得，對于各類型納米酶的設計組裝與優化具有顯著促進感化，同時能夠充足發揮納米酶及其相關技術在疾病診療領域的宏大潛力。
技術方式。今朝制備納米酶的方式重要包含物理分解法、化學分解法和生物分解法。雖然納米酶的制備獲得了一些結果，但其分解方法在實際生產中仍存在許多需求解決的問題，重要體現在：若何在工業化生產中解決納米酶不難被氧化、吸濕和團聚問題？納米酶活性發生變化的機理及其在制備中的動力學和熱力學過程仍需深刻研討；納米酶分解及工程化若何加倍綠色？同時，為了更好地探討納米酶結構與機能間復雜的彼此關系，在納米標準和原子標準上發展原位、實時、動態的表征技術非常主要。此外，理論計算研討及高通量篩選、機器學習等方式，在預測和模擬納米酶催化反應機制和過程方面具有主要的借鑒意義；模塊化計算與質量可把持備、納米酶結構描摹的精確把持等技術方式，對于納米酶的優化設計也非常關鍵。
應用研討。晚期納米酶重要應用在體外診斷和檢測，以及環境監測和管理方面，近年來開始向體內診療領域等應用場景延長。通過對納米酶的感性設計和催化機制的深刻清楚，相關研討帶動了納米資料的研制，并且拓展了納米資料的應用范圍，這些資料在環境管理、極端條件化學分解、疾病治療等領域都具有宏大的應用遠景。
納米酶的重要應用
納米酶之所以遭到廣泛關注，重要是因為它衝破了自然酶易掉活、不穩定、本錢高級瓶頸，同時融會了獨特的納米效應和效能，對諸多領域和行業都有能夠帶來反動性的技術創新或更換新的資料，因此具有廣泛的轉化應用遠景。此外，納米酶已經顯示出傑出的生物相容性，這確保了在醫療保健應用中的平安集成，包含生物成像和病原體檢測。
檢測與診斷
剖析診斷是納米酶重要的應用標的目的之一，相關研討在整個納米酶領域中的占比超過50%。鑒于其高穩定性和低本錢特徵，納米酶特別適用于檢測診斷體系，以及作為催化縮小信號的關鍵資料，代替自然酶如辣根過氧化物酶用于免疫剖析檢測和傳感檢測。
納米酶催化縮小信號重要基于其過氧化物酶等活性，催化產生的信號包含顯色（底物如TMB、DAB等）、熒光、化學發光及電化學信號等，應用于酶聯免疫剖析、免疫組化、試紙條、生物傳感器等技術，檢測范圍包含生化小分子如葡萄糖、尿酸等，多種腫瘤、神經、心腦血管等疾病標志物，以及抗原/抗體、病毒、細菌等。以納米酶代替自然酶或直接作為焦點檢測元件，不僅能顯著進步檢測靈敏度，還能延長器件的壽命，下降本錢。例如，納米酶試紙條技術，以納米酶代替膠體金，進步檢測靈敏度10—100倍，該技術率先在2018年獲得醫療器械注冊證書，今朝在公安部推廣試用；得益于納米酶的高穩定性，可以用于植進式或可穿著式血糖等生化指標的實時檢測。
催化醫學
納米酶無望推動酶催化技術在臨床疾病治療的廣泛應用。受限于自然酶的易降解、不穩定、易產生免疫原性等缺乏，酶催化技術并沒有好像抗體一樣廣泛用于疾病治療。盡管人們早就了解酶與多種新陳代謝活動和病理發生發展親密相關，并且已經發現超過6000余種，可是實際用于醫學疾病治療的酶類僅有40余種。假如能夠戰勝自然酶的瓶頸，酶催化技術能夠帶來新的疾病療法，區別于化學小分子、抗體、細胞因子、細胞等藥物的機制，通過催化生化底物調控代謝途徑或產生藥物，能夠以極低濃度催化縮小治療後果，具有“四兩撥千斤”的功能。
基于當前納米酶的氧化還原酶類、水解酶類等活性，納米酶不僅可以直接調控氧化還原代謝來治療或改良疾病，還能本身或與自然酶結合進行級聯反應晉陞治療後果，同時納米酶具有的光電磁等多種納米效應進一個步驟協同增強治療效力，實現靶向、響應、可控、多效能診療一體化的疾病診療戰略。
當前，研討人員在納米酶催化醫學領域，包含腫瘤催化治療、催化抗菌、心腦血管疾病防治、抗炎等標的目的開展了大批的研討。此中基于催化抗菌提出了納米酶抗生素（nanozybiotics），為解決細菌耐藥供給新戰略。基于氧化鐵納米酶抗菌防齲的任務在2023年進進人體臨床研討階段。此外，阿爾茲海默病Heme-Aβ 復合體顯示過氧化物酶活性。人腦中存在磁鐵礦，納米酶能夠通過類酶活性參與阿爾茨海默病等嚴重疾病的發生，使其成為潛在的疾病治療新靶點。
農業與食物加工
納米酶在植物培養、動物養殖方面具有主要的應用遠景。基于其氧化還原活性，納米酶可以促進植物抗逆。例如，促進種子出芽、固氮或光一起配合用。其殺菌機能用于替換抗生素。例如，防治沙門氏菌沾染、滅活禽流感病毒。納米酶還可以用于檢測農藥殘留和降解農藥和毒素。納米酶氧化分化才能還有能夠用于農田秸稈降解，尤其是低溫條件下分化纖維，為秸稈綜合應用供給了有用的新思緒。
此外，在食物加工和保鮮、質控方面，納米酶也具有宏大的應用遠景。例如，可以避免或打消食物中的各類微生物及外界光包養網照、溫度、濕度等多種原因對食物的潛在不良影響，以確保食物平安等。
環境、動力與化工
納米酶在環境監測和管理方面具有宏大的應用遠景。基于納米酶的傳感檢測技術可以監測環境中無害物質，如雙氧水、酸雨、重金屬、抗生素等。同時納米酶降解技術可以有用降解肅清這些無害物質。尤其是，對于水中有機淨化物的降解和肅清，比擬于傳統的化學降解如芬頓催化，以及微生物分化，納米酶技術更具優勢，不僅適應低溫等極端環境，同時可收受接管反復應用。
在動力領域，納米酶也蓄勢待發，不僅可用于開發生物燃料電池，還可以作為催化劑介導清潔動力的制備。在化工生產中，對于有些自然酶所介導的關鍵的反應步驟，納米酶具有本錢低、穩定性高和極強的環境適應性等優勢，因此可以代替自然酶進步化工生產效力和下降本錢。
生物平安與防護
生物平安與防護逐漸遭到重視，尤其是新冠疫情之后，已經上升到國家戰略層面。針對細菌病毒等潛在迫害，需求開發新的綠色洗消和防護技術。納米酶介導的催化殺菌、滅活病毒和降解毒物等技術有助于開發新型平安與防護戰略。例如，整合到口罩或防護服中，作為關鍵資料添加到新風過濾膜中；陸地防污中作為涂料涂敷于輪船概況，避免陸地微生物的粘附生長。
納米酶的發展瞻望
由于納米酶是人工制造的，可以按需設計，是以它們在穩定性、可收受接管性和本錢方面具有優勢。為此，納米酶未來研討標的目的重要集中在3個方面：研討納米酶催化特點，闡明催化規律；針對實際應用中的痛點，解決實際問題；拓展深化對性命來源等天然科學領域嚴重科學問題的懂得。
深刻懂得催化機制和獨特徵
納米酶兼具自然酶催化和化學催化的優勢于一體，跟這2種傳統的催化方法既有類似的部門，也具有本身獨特的處所。未來關于納米酶的研討，不僅需求晉陞催化效力和選擇性以及拓展活性類型，還需求進一個步驟發掘納米酶的獨特徵能，從物理學和化學層面闡明納米酶催化的本征規律，尤其是內部納米結構與概況催化之間的內在關系。例如，納米酶介導的低溫催化、光電磁對催化活性的調控、多酶級聯催化，這些特徵顯著區別于酶催化和化學催化，現有的理論和方式不克不及解釋這些現象。聚焦這些基礎問題無望進一個步驟認識納米酶催化的規律，拓展酶催化和化學催化的邊界。
發展需求驅動的轉化應用
納米酶不僅能夠代替自然酶的應用，還能結合本身多效能性拓展新的應用，尤其是在不友愛的環境中自然酶無法發揮感化的場景。納米酶作為一類新資料應用領域廣泛，可是實驗室研制的納米酶樣品無法直接應用，需求與實際需求親密結合，優化改進后才幹轉化應用。是以，需求參與工程理念，從實際需求角度進一個步驟感性設計和改革納米酶，針對分歧的應用樹立相應的小試—中試—規模化生產工藝路線，從產品機能、規模、本錢等方面樹立質控標準。此外，納米酶相關的國家、國際和行業標準也需求同步樹立和完美，用于指導納米酶產品的開發和研制。
納米酶與性命來源
性命來源是天然科學領域嚴重科學問題之一，納米酶作為無機與有機之間的橋梁分子，有能夠在性命來源過程中飾演主要的感化。當前性命來源存在多種假說，可是每個假說都只解釋無機到有機，生物年夜分子到生物體構成過程中的一個階段，尚缺少能夠將這些階段串聯起來的關鍵物質。比來，研討人員提出納米酶貫穿性命來源全過程的假說，緣由是在地球火山口、海底及太空隕石中都存在鐵硫等構成的納米顆粒，極能夠具有納米酶的催化屬性，起著“無中生有”的感化；同時，研討人員還發現一些細菌或古細菌中也發現具有無機納米酶顆粒，后者具有催化效能，調控氧化還原程度，并與原核與真核卵白-金屬酶系統進化存在聯系。此外，生物體內一些多肽或卵白湊集構成的納米物質也展現出納米酶催化特徵，能夠與多種疾病的發生發展親密相關。這些天然或生物體內的納米酶有能夠為性命來源供給新的信息，也將進一個步驟拓展生物催化劑概念。例如，除了卵白質與核酸之外，天然界能夠還有別的一種情勢的生物催化劑，那就是納米酶。
致謝感謝汪爾康院士和董紹俊院士對本文的指導和修正。
（作者：杜鵬、焦健，中國科學院科技戰略咨詢研討院；高利增、范克龍、閻錫蘊，中國科學院生物物理研討所中國科學院納米酶工程實驗室 華夏納米酶實驗室鄭 鄭州年夜學基礎醫學院納米酶醫學研討中間。《中國科學院院刊》供稿）