苏州大学李瑞宾教授团队长期致力于纳米材料类酶催化生物学效应的研究，发现了一系列针对有机底物分子的类酶纳米材料及其生物学效应，例如类NAD(P)H氧化酶, 类脱氢酶。近期受邀在Angew Chem-Int Ed发表综述文章讨论了有机底物纳米酶的发现方法及其用于构建纳米细胞器的可能性 （图1）。
图1 有机底物纳米酶构建纳米细胞器的示意图
纳米酶是一类具有类酶活性的纳米材料，能够模仿天然酶的催化功能，但相较蛋白酶稳定性更好，生产成本低，生物利用度高，具有潜在的医学，环境及工业合成应用价值。文章首先回顾了纳米酶概念的演化过程，通过对已发表纳米酶文献的分析，指出针对有机底物的纳米酶报道相对较少，具有更高的应用价值，值得深入探索。文章主要讨论了以下热点问题：
1.有机底物纳米酶的种类及构效关系。在活体生物中，酶作为催化剂，对于维持细胞功能、代谢途径和整体生理平衡至关重要。目前，生物系统中已发现超过75,000种天然酶。根据它们的催化活性，可以分为七类：氧化还原酶、转移酶、水解酶、裂解酶、异构酶、连接酶和转位酶。研究发现金属氧化物、碳基纳米材料、贵金属和有机金属框架材料（MOFs）可模拟水解酶、异构酶、裂解酶和氧化还原酶的活性。值得关注的是，目前尚未有能够模拟转位酶、转移酶或合成酶活性的纳米酶。基于已经报道的类酶纳米材料，论文总结了影响纳米酶催化活性的关键理化性质：a) 表面积；b) 形貌；c) 表面缺陷；d）晶面（图2）。纳米材料的这些理化性质决定了其催化活性与选择性。
图2 影响纳米酶活性的理化性质
2. 发现新型纳米酶的方法。为了提高有机底物纳米酶的鉴定效率，论文提出了四种策略（图3），包括：①高通量筛选：使用自动化的检测仪器快速评估多种纳米材料对特定底物的催化活性；②仿生设计：借鉴蛋白质酶催化位点的结构特点，精准设计合成具有相似化学结构的纳米材料，模拟生物酶催化活性；③组合化学筛选：运用组合化学改变纳米材料的结构单元，构建纳米材料库，通过逼近法获取目标纳米酶；④计算辅助合成：通过模拟计算，发现影响催化反应的具体理化性质与结构单元，定向合成目标纳米酶。
图3 有机底物纳米酶的开发策略
3. 构建纳米细胞器。该综述提出了一个前瞻性的观点“设计有机底物纳米酶构建纳米细胞器” （图4）。构建过程主要包含三个部分：a）根据目标细胞器内天然的级联酶催化过程、反应类型和反应条件寻找纳米酶替代天然酶；b）利用刚性载体、柔性支架，或膜包封技术，对纳米酶进行组合包封；c）优化纳米细胞器的反应条件，包括溶剂、反应物浓度、pH和温度等参数。
图4 纳米细胞器构建流程
4. 纳米酶研究的挑战与机遇。该论文分析了有机纳米酶应用所面临的困境，包括有机底物纳米酶种类少、特异性低、微纳集成技术缺乏、催化活性位点的化学微环境未知、纳米酶安全性不明确，纳米酶相关标准不足等问题。针对这些问题，论文展望了四个纳米酶研究领域的新方向，包括高通量筛选新型纳米酶方法的构建；仿生设计结合组合化学提高纳米酶的催化特异性；微流控技术集成纳米酶级联催化过程以及发展催化反应的原位成像技术。
论文信息
Exploring Nanozymes for Organic Substrates: Building Nano-organelles
Dr. Xi Liu, Dr. Meng Gao, Dr. Yunlong Qin, Dr. Zhiqiang Xiong, Dr. Huizhen Zheng, Prof. Itamar Willner, Dr. Xiaoming Cai, Prof. Ruibin Li
Angewandte Chemie International Edition
DOI: 10.1002/anie.202408277
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