纳米生物催化：通向生物催化的材料科学之路

【文章信息】

纳米生物催化：通向生物催化的材料科学之路

通讯作者：朱成周*，林跃河*

单位：华中师范大学，美国华盛顿州立大学

【研究背景】

尽管具有高活性和特异性的酶催化在许多领域显示出巨大的前景，但它们往往难以适应实际的应用环境之中。针对这一问题，纳米生物催化——纳米技术与酶催化相结合的新领域，有望从材料科学的角度理解和设计生物催化。具体来说，纳米生物催化主要包含纳米材料负载酶生物催化和纳米材料类酶催化两个方面。

本篇综述详细总结了纳米生物催化体系的类型、结构和功能，分析了两种不同策略的优缺点。此外，本文还重点介绍了纳米生物催化系统在生物分析，生物治疗，环境治理等方面的应用。最后，本文就纳米生物催化这一新兴领域所面临的机遇与挑战进行了讨论。

【文章简介】

近日，来自华中师范大学的朱成周教授与美国华盛顿州立大学的林跃河教授合作，在国际知名期刊ChemicalSocietyReviews上发表题为“Nanobiocatalysis:amaterialsscienceroadtobiocatalysis”的综述文章。

​该综述文章总结了纳米材料在生物催化领域中的应用，详细讨论了纳米材料负载酶生物催化和纳米材料类酶催化的构建，调控，机理，以及功能，并强调了相关应用的构建策略及优缺点。

图1.纳米生物催化的种类及应用。

【本文要点】

要点一：纳米材料负载酶生物催化

酶催化中最突出的挑战之一是其较差的可重复利用能力。首先，从复杂的催化系统中提取酶是一项艰巨的工作。另一方面，自然酶的低稳定性通常导致催化后活性的丧失。针对这些问题，纳米材料负载酶生物催化可以有效利用纳米材料和纳米技术的优势来提高酶的性能。可用于酶负载的纳米材料不仅包括有机聚合物，二氧化硅，金属氧化物等传统纳米材料，还包括金属有机框架等新型纳米材料。

​尽管种类繁多，这些纳米材料负载生物酶的方式主要包括三种：吸附，共价键合，和内部封装。经过整合之后，纳米材料负载酶生物催化能够有效地提高催化的稳定性并增强了催化剂的循环能力。一些纳米材料甚至能够实现固定酶的可控释放以及催化性能的调控。此外，同时整合多个酶能进一步构建纳米反应器以实现复杂催化功能。

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要点二：纳米材料类酶催化

纳米材料类酶催化（纳米酶）是另一种有效解决酶催化不足的方式，旨在探寻纳米材料作为自然酶的替代物。目前无金属的碳材料，金属单质及其化合物，以及复合物材料均被报道具有类酶催化性能。其催化活性主要集中于氧化酶，过氧化物酶，过氧化氢酶，超氧化物歧化酶，以及水解酶。不同生物酶的调控策略，纳米材料类酶催化的调控完全基于材料科学。

​纳米材料的组分，尺寸形貌，表面环境等性质能够直接影响其催化活性。随着纳米技术的提升，活性位点的设计甚至能够达到原子尺度。除去催化性能的提升，其纳米材料特性还带来诸多功能。例如更高的稳定性，光、电、磁学的性能等。一些物理化学性质能够促进其催化性能，甚至是与催化性能协同作用。值得注意的是，部分纳米材料类酶催化甚至能够同时表达多种活性，实现复杂的催化功能。

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要点三：纳米生物催化的应用

纳米生物催化目前主要应用于生物分析，生物治疗，以及环境治理三个领域。对于生物分析，常用的策略主要包括：直接型，串联型，促进/抑制型，酶联免疫分析吸附型。对于生物治疗，纳米生物催化既可以打破氧化还原平衡以治疗病变部位，又可以修复氧化还原平衡以保护正常组织。一些纳米材料性质更是能够与催化能力协同工作以实现更好的效果。对于环境治理，常用策略包括氧化修复和水解修复。

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要点四：前瞻

尽管纳米生物催化领域已经取得了相当大的进展，但是作为一个新兴的研究领域，诸多挑战仍未有效解决。首先，由于纳米技术不成熟等原因，纳米生物催化在活性和特异性上与自然酶仍存在较大差距。其次，相较于自然酶的庞大家族以及繁多的种类，纳米生物催化的种类十分受限。同时，作为材料科学和生物学的交叉学科，纳米生物催化在吸纳二者优势的同时，也吸收了各自学科的不足，甚至带来了一些新的困难。这些挑战都是进一步拓宽纳米生物催化实际应用的必由之路。

【文章链接】

Nanobiocatalysis:amaterialsscienceroadtobiocatalysis

【通讯作者简介】

林跃河教授简介：美国华盛顿州立大学教授，林跃河教授一直致力于功能化纳米材料的研制及其在生物医学和能源中的应用研究。发表论文500篇，总引用68,000次，h-index131。2014-2021年连续8年入选科睿唯安全球高被引科学家名单。

​获得美国及国际授权专利20余项，多项专利已转让并投入开发应用。林跃河教授为美国科学发展协会AAASFellow，英国皇家化学会（RSC）Fellow，美国医学与生物工程院（AIMBE）Fellow和华盛顿州科学院院士。

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朱成周教授简介：华中师范大学教授，博士生导师，分析化学研究所所长。英国皇家化学会会士、国家高层次人才青年项目入选者、德国洪堡学者、科睿唯安全球高被引学者和爱思唯尔中国高被引学者。至今以第一/通讯作者在、、、、等国际著名学术期刊发表学术论文130多篇,总引近20000次，H-index为76，36篇论文进入ESI高被引论文。

​担任期刊和副主编，、Biosensors等期刊编委和《物理化学学报》期刊青年编委。同时担任中国生物物理学会纳米酶分会第二届委员，湖北省化学化工学会分析化学专业委员会副主任，2021年荣获中国分析测试协会科学技术奖CAIA奖二等奖。

【第一作者介绍】

吴俣，2016年于湖北工业大学获得工学学士学位，后2020年于华中师范大学获得理学硕士学位。他目前是朱成周教授课题组的在读博士生，他的研究方向是功能化纳米材料模拟酶及生物催化和生物传感应用。

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【课题组介绍】

课题组网站