“纳米酶”——酶家族的新成员

作者: 张若飞,范克龙

来源: 中国科学院北京分院, 中国科学院生物物理研究所

发布日期: 2019-04-27 08:00:00

本文介绍了纳米酶这一新兴领域,探讨了纳米酶的定义、发展及其在工业和生物医学领域的应用潜力。

酶是什么?2018年山西高考卷的一道错题曾引发人们对这个问题的热烈讨论。在大多数人的认知中,酶无外乎蛋白质与RNA,今天我们介绍的这个领域,将进一步拓展酶的定义和范围:无机的纳米颗粒也可以是酶。随着科学知识的普及,相信大家对“纳米”和“酶”等科学名词已经不再陌生了,但是“纳米酶”这样一个名词,可能对很多非相关专业领域的人们来说还是一头雾水。

纳米酶代表了一类蕴含类酶生物效应的纳米材料,它是纳米技术与生命科学交叉的产物,要搞清楚纳米酶的含义,我们首先要从生物酶和人工模拟酶的发展说起。

传统酶学关于生物酶的定义是“由活细胞产生的、对底物具有高度特异性和高度催化效能的蛋白质或RNA”。生物酶对人体是至关重要的,人体内的几乎所有的生命活动都有酶的参与。生物酶的高效催化效率保障了生物体内时时刻刻都在进行的快速的物质转化和能量代谢。

生物酶因有着高效的催化效率,可以大幅提高化学反应进行的速率,节约时间成本,目前已经被广泛应用于化工、食品、医药、环境和生物技术等方面。生物酶催化活性是任何人工合成的催化剂都难以企及的,但结构上的不稳定性和对环境的敏感性极大地限制了它的工业应用。

为了弥补生物酶的缺陷,有一些科学家给生物酶加一个保护壳或者将它固定在固相载体上以提高稳定性。但是,这种稳定生物酶的策略仍然难以满足工业要求,主要是由于生物酶难以大规模生产,并且在稳定生物酶的过程中需要严格控制环境条件,防止酶活性受损,这就大大增加了工艺复杂度,使工业生产变得困难。

纳米酶之所以被认为具有类酶催化效应,不仅仅是因为它有着高效的催化活性,可以像生物酶一样催化相同的化学反应,更是因为它与生物酶有着极其相似的催化条件和催化机制。纳米酶的发展方兴未艾,作为一类具有独特类酶性质的纳米材料,避免了生物天然酶结构不稳定的困扰,省去了传统模拟酶工艺复杂性的麻烦,增添了生理温和条件下就可高效催化的便利,可以以较低的成本进行大规模生产,具有着工业应用的无限潜力。

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