最近，ACS Catalysis 的一篇題為“nano-apples and orange-zymes”的社論質疑“納米酶”這個詞是否合適。由于納米酶的跨學科性質，該術語的確切含義并不總是很明顯。
于此，作為一直倡導納米酶的研究人員，生物物理所閻錫蘊院士、長春應化所汪爾康院士等人在Nano Today上提供了他們的見解，澄清一些關鍵問題，并促進該領域的更深入思考。
“納米酶”借用“納米材料”和“酶”兩個詞，與核酶、抗體酶、化學酶、脫氧核糖核酸酶、合成酶等命名模式相同。與酶和常規人工酶相比，納米酶具有成本低、高穩定、量產、多功能。這些優勢為納米酶的合理設計和更廣泛的應用提供了更多的可能性。
迄今為止，納米酶領域已經發表了 7500 多篇出版物，報道了大約 300 種具有催化活性的不同納米材料，用于轉化氧化還原酶的底物（例如過氧化物酶、過氧化氫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）和異構酶（例如拓撲異構酶 I），代表六種主要酶類型中的四種。這些催化納米材料又被用于各個領域，從分子檢測和腫瘤治療到環境治療。
鑒于該領域的當前發展，納米酶可以定義為在生理相關條件下催化酶底物轉化為產物并遵循酶動力學（例如 Michaelis-Menten，即米氏方程）的納米材料，即使反應的分子機制可能不同納米酶和相應的酶。雖然這個定義只要求納米酶在生理相關條件下工作，但最有可能的是，納米酶可以在通常會使酶變性的惡劣條件下工作。需要強調的是，納米酶仍然是一個快速發展的領域，納米酶的普遍接受的定義在很長一段時間內仍然是一個懸而未決的問題。
ACS Catalysis 的社論認為，“為了獲得這個標簽，酶模擬物應該表現出與酶的一些結構和或功能相似性”。雖然大多數報道的納米酶尚未滿足這一標準，但出于以下列出的原因，研究人員相信更廣泛的定義將有利于該領域。
通過學習天然酶設計納米酶
酶學已經建立了一套研究方法，并且已經深入研究了許多酶，這些方法已經并將繼續為納米酶的設計和開發提供信息。與任何人工酶一樣，構效關系的研究也是納米酶的關鍵。雖然早期對納米酶的研究更多地描述了它們的特性，但最近出現了構效關系研究，以了解其機制并指導新納米酶的設計。這結合了納米科學（例如量子限制效應）、催化（例如單原子催化）、酶和人工酶的知識，專注于一個目標：闡明催化機制。
受天然酶的啟發，已經開發出許多納米酶來模擬天然酶的結構并調整它們的活性或選擇性。如在一項研究中，單個 Fe-N 位點嵌入石墨烯上，類似于辣根過氧化物酶 (HRP) 中的血紅素輔因子，與未摻雜的石墨烯相比，其類過氧化物酶的活性提高了 700 倍。
酶通常具有底物通道（或結合袋）以促進催化反應，并且納米酶也可以被設計來模擬這種策略。如最近，設計了具有隔離底物通道的 PtNi 氧還原納米酶來模擬酶的納米限制反應體積，從而導致更高的轉換率和電催化活性。這些研究表明，僅僅通過整合酶的部分結構特征，納米酶的活性和選擇性都可以得到提高。
圖|通過模仿天然酶的結構特征設計納米酶
納米酶在體外和體內都作為酶的替代物
大多數納米酶研究都是由應用驅動的，其簡單目標是用更穩定、更具成本效益且有時更具活性的納米材料替代天然酶。雖然在此類工作中，納米酶當然可以稱為催化納米材料，但我們相信納米酶的名稱鼓勵了這些研究工作的概念化。例如，具有類似 HRP 活性的納米酶已廣泛用于 ELISA，靈敏度比常規HRP的要高約 110 倍。
此外，由于它們作為納米材料和酶模擬物的雙重特性，納米酶可以完成酶無法實現的功能。例如可以在海水或胃酸等惡劣環境中應用。研究還表明，納米酶在細胞和動物水平上還實現了天然酶的生理功能。
圖|納米酶在體外和體內充當天然酶取代物
小結
在討論納米酶作為一個術語時，研究人員引用了 Jean-Marie Lehn 的批判性思想：“定義是有一個清晰、精確的核心，但通常其邊界是模糊的，區域之間會發生相互滲透。這些模糊區域實際上起到了積極的作用，因為經常在那里可能會發生區域之間的相互影響”。對于納米酶這樣一個新興的跨學科領域，雖然需要一個核心定義，但我們也相信一個模糊的邊界，在那里將進行創新。
總體而言，研究人員認為“納米酶”一詞對于描述催化納米材料在生物系統中的功能和設計功能性酶取代基很有價值。重要的是，納米酶固有地結合了納米級和酶樣催化特性。納米酶將有力地推動納米技術與生物學之間的交流，帶來新的思想和學術熱情。
參考文獻：
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
