中國網(wǎng)/中國發(fā)展門戶網(wǎng)訊 納米酶是為數(shù)不多的由中國科學(xué)家發(fā)現(xiàn)的新領(lǐng)域。從新現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，到新技術(shù)的發(fā)明及新產(chǎn)業(yè)的孕育，我國在納米酶領(lǐng)域始終處于領(lǐng)先位置。例如，原創(chuàng)地提出納米酶的新概念、建立表征催化活性的方法；制定納米酶術(shù)語國家標(biāo)準(zhǔn)及相關(guān)的催化活性國家和國際標(biāo)準(zhǔn)；出版《納米酶學(xué)》英文專著；將化學(xué)催化與酶催化的原理有機融合，創(chuàng)造了催化活性接近或超越天然酶的單原子納米酶；2018年首個納米酶產(chǎn)品完成了臨床驗證，獲批我國醫(yī)療器械注冊證并進(jìn)行了產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化。近年來逐漸突破工業(yè)級規(guī)模化生產(chǎn)瓶頸，標(biāo)志著納米酶已經(jīng)從科學(xué)研究、技術(shù)發(fā)明到產(chǎn)業(yè)化的完整閉環(huán)。為了更好地推動納米酶領(lǐng)域的發(fā)展，拓展對納米酶的認(rèn)識，本文回顧納米酶發(fā)現(xiàn)，分析凝練納米酶的學(xué)科特點及其知識結(jié)構(gòu)，綜述了納米酶的應(yīng)用，并展望了未來的發(fā)展趨勢。

納米酶的發(fā)現(xiàn)

在納米尺度上，物質(zhì)會表現(xiàn)出別樣的性質(zhì)，例如，小尺寸效應(yīng)、比表面積效應(yīng)和量子效應(yīng)等。這些性質(zhì)使得納米材料在物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)、信息和材料學(xué)等領(lǐng)域展現(xiàn)出獨特的價值。例如，蝴蝶翅膀表面獨特的納米結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的彩色效應(yīng)，隱形飛機涂層納米結(jié)構(gòu)賦予的“吸收聲波”效應(yīng)。隨著納米技術(shù)的高速發(fā)展，人們逐漸開始利用物質(zhì)在納米尺度的特殊效應(yīng)，研究與操縱物質(zhì)，以開發(fā)新的材料、裝置和性能。例如，2023年諾貝爾化學(xué)獎被授予Moungi G. Bawendi、Louis E. Brus和Alexey I. Ekimov 3位科學(xué)家，以表彰他們在“發(fā)現(xiàn)和合成量子點”方面的科學(xué)貢獻(xiàn)。由于量子效應(yīng)，量子點的顏色呈現(xiàn)出典型的納米尺度效應(yīng)，在顯示屏、柔性電子產(chǎn)品、微型傳感器、超薄太陽能電池等領(lǐng)域有很好的應(yīng)用前景。

自20世紀(jì)90年代以來，有研究發(fā)現(xiàn)某些納米材料具有類酶催化的功能，但最開始并沒有引起科學(xué)界較多的關(guān)注。2007年，閻錫蘊團隊報道了一種新的納米效應(yīng)，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(xué)催化和動力學(xué)角度闡釋了無機納米材料的酶學(xué)特性，并將其命名為“納米酶”。納米酶的催化活性與其尺寸大小有關(guān)：相同質(zhì)量下，納米顆粒越小，整體催化效率越高，見（圖1b）。由此發(fā)現(xiàn)納米材料的“小尺寸效應(yīng)”正是納米科學(xué)領(lǐng)域研究的關(guān)鍵科學(xué)問題。

納米酶的發(fā)現(xiàn)并不是計劃的產(chǎn)物，而是具有很強的偶然性。長期以來，閻錫蘊團隊一直致力于腫瘤免疫學(xué)研究。在探索腫瘤診斷新方法時，研究人員引用了納米技術(shù)，將識別腫瘤的抗體與Fe3O4納米顆粒結(jié)合，以實現(xiàn)對抗原的磁力富集檢測。然而實驗結(jié)果出乎意料，原本陰性對照組中的納米粒子，竟然與酶的底物反應(yīng)，并產(chǎn)生如同天然酶一樣的產(chǎn)物。最初，研究人員以為是實驗過程中的某種污染導(dǎo)致。經(jīng)過反復(fù)驗證，最終證實這種類似天然酶的催化反應(yīng)的確是來自于無機納米材料本身，即Fe3O4納米顆粒自身具有類似于辣根過氧化物酶的性質(zhì)。在證明其普遍規(guī)律之后，研究人員將這種奇特的納米生物效應(yīng)命名為納米酶。

納米酶是一種新型模擬酶，不同于天然酶、傳統(tǒng)的小分子模擬酶和化學(xué)催化劑。研究發(fā)現(xiàn)納米酶的催化反應(yīng)處于納米粒子的表面，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(jié)構(gòu)介導(dǎo)的，與天然酶催化活性中心的結(jié)構(gòu)更為相似。另外，納米酶催化的是天然酶的底物，其酶促反應(yīng)動力學(xué)和催化機制與天然酶相似，對底物具有選擇結(jié)合能力，而且能夠作為天然酶的替代品，用于人類健康。與此同時，納米酶的出現(xiàn)使人們對納米效應(yīng)的認(rèn)知從物理學(xué)、化學(xué)拓展到生物學(xué)。納米酶同時也豐富了納米生物學(xué)的內(nèi)涵，使該領(lǐng)域研究人員從研究“生物與納米材料”相互作用，發(fā)展到研究納米材料自身潛在的生物學(xué)效應(yīng)，為納米生物學(xué)開啟了新的研究方向。

納米酶的問世，在宏觀層面上進(jìn)一步打破了有機生物物質(zhì)與無機材料之間的界限，拓展了人類對于自然和生命本源的認(rèn)知范疇；在微觀層面上對于人工酶和模擬酶的認(rèn)識也更為深入，豐富了其設(shè)計優(yōu)化的手段和方法。隨后，國內(nèi)外很多實驗室陸續(xù)發(fā)現(xiàn)其他多種納米材料具有類酶活性。2013年汪爾康團隊以《納米酶：新一代人工酶》為題發(fā)表長篇綜述，引入“nanozymes”一詞，引發(fā)了更多關(guān)注。納米酶研究經(jīng)過最初10余年的平靜期之后，當(dāng)前已經(jīng)進(jìn)入了高速發(fā)展期，2000—2023年納米酶核心領(lǐng)域年發(fā)文量超過1600篇，年均增長率一直處于較高水平（圖2）。

隨著研究的深入，科學(xué)家逐步發(fā)掘出納米酶的新特性。2020年，赫榮喬團隊發(fā)現(xiàn)鹽酸胍（GuHCl）能夠作為Fe3O4納米酶的可逆抑制劑（圖1c）。GuHCl與H2O2競爭性結(jié)合Fe3O4納米酶，從而抑制Fe3O4納米酶的過氧化物酶活性。2022年，張連兵團隊設(shè)計合成了一種基于錳納米金屬有機骨架材料（nMnBTC）的新型適冷納米酶，其在0℃—45℃下均表現(xiàn)出比其他模擬酶更好的類氧化酶活性，并且在—20℃環(huán)境下滅活流感病毒（圖1d）。適冷納米酶研究開辟了納米酶在低溫領(lǐng)域的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用新道路，也為納米酶催化機制研究開辟了新的方向。

目前世界范圍內(nèi)已有50多個國家的400多個實驗室正在開展納米酶相關(guān)領(lǐng)域的研究工作。在國際學(xué)術(shù)大會上，納米酶研究領(lǐng)域也迎來越來越多的同行。圖3展現(xiàn)了納米酶研究中的國際合作網(wǎng)絡(luò)。從目前來看國際上納米酶研究形成了3個主要的合作群：綠色的合作群由中國主導(dǎo)，包含美國、中東等多個國家或地區(qū)；紅色的合作群主要是由歐洲國家和印度構(gòu)成；藍(lán)色的合作群由韓國、日本、澳大利亞和中國臺灣等構(gòu)成。除此之外，以新加坡（紫色）為主導(dǎo)的合作國家較為集中于上述3類合作群，且不同合作群之間也有比較緊密的合作關(guān)系。

納米酶的學(xué)科內(nèi)涵

納米酶的發(fā)展歷史并不長，但經(jīng)過眾多學(xué)者的努力，納米酶的學(xué)科框架已經(jīng)初步形成。無論是基礎(chǔ)科學(xué)問題，還是應(yīng)用場景，以及相應(yīng)的學(xué)科建制，都顯現(xiàn)出納米酶學(xué)科的體系化建設(shè)初見端倪。

酶的簡要發(fā)展歷程

生物體內(nèi)各種各樣的酶在諸多因素的調(diào)控下，進(jìn)行新陳代謝并行使著生物與化學(xué)催化的功能。有關(guān)酶的催化研究領(lǐng)域已經(jīng)形成為生物化學(xué)的一門重要分支學(xué)科。例如，在幾千年前，我國已經(jīng)出現(xiàn)了利用酶和發(fā)酵法釀酒、制醋、醬和飴糖等技術(shù)，但酶的研究歷史并不長。歐洲在19世紀(jì)對釀酒發(fā)酵過程進(jìn)行了大量的研究。1833年，Anselme Payen和Jean-Fran?ois Persoz通過酒精沉淀法在麥芽的水抽提物中得到了淀粉糖化酶，并指出其催化特性和不穩(wěn)定性。直到1897年，Eduard Büchner用石英砂磨碎酵母細(xì)胞，制備了不含酵母細(xì)胞的抽提液，說明發(fā)酵的生物化學(xué)過程并不依賴于完整的細(xì)胞，而是酶作用的化學(xué)本質(zhì)，自此便翻開了現(xiàn)代酶學(xué)與生物化學(xué)的新篇章。1926年，尿素酶晶體由James B. Sumner團隊分離獲得，酶是蛋白質(zhì)的觀點和論據(jù)被首次提出；1982年，Thomas R. Cech等發(fā)現(xiàn)了具有催化功能的RNA——核酶，開辟了酶學(xué)研究的新領(lǐng)域。酶的簡要發(fā)展過程見圖4。

隨著酶學(xué)研究的不斷深入，人們發(fā)現(xiàn)，酶對于生命體是如此重要，正常生命活動離不開以酶為核心驅(qū)動的各類生化反應(yīng)。酶被廣泛應(yīng)用于制藥、食品制造、分析化驗、生物工程、紡織、造紙、皮革制造、飼料加工等行業(yè)，也是合成生物學(xué)、納米生物學(xué)等前沿交叉領(lǐng)域和技術(shù)體系的核心“元件”。

酶是大自然給予人類的饋贈。然而天然生物酶在生物體內(nèi)的含量不高，不能大量獲得，價格也比較昂貴，更關(guān)鍵的是天然生物酶的穩(wěn)定性較差，對環(huán)境條件高度敏感，酸堿度或溫度的較小變化都容易失去活性。因此，研究制備低成本、高穩(wěn)定性、適用條件寬泛的人工模擬酶日益重要，在此背景下，納米酶作為一個學(xué)科領(lǐng)域應(yīng)運而生。

從學(xué)科形成的條件來看，納米酶的學(xué)科建制已經(jīng)初步形成。經(jīng)過20年的努力，納米酶已經(jīng)被學(xué)術(shù)界乃至社會所認(rèn)可：納米酶被收入《中國大百科全書》；國際知名學(xué)術(shù)期刊Advanced Materials、Small等還為納米酶開辟了專欄或?qū)？籗pringer出版社出版了英文專著《納米酶學(xué)》；納米酶被國家重點研發(fā)計劃等資助；中國科學(xué)院、河南省分別設(shè)立了納米酶工程實驗室和中原納米酶實驗室；中國生物物理學(xué)會成立納米酶分會；鄭州大學(xué)設(shè)立納米酶催化醫(yī)學(xué)河南省重點學(xué)科。

納米酶的學(xué)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循酶動力學(xué)（如米氏方程）將其轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物的納米材料。從最早發(fā)現(xiàn)金屬氧化物，后來拓展到金屬類，甚至到現(xiàn)在金屬有機雜化，以及多肽蛋白聚集體，已報道的納米酶大概有1 100多種。納米酶的基本特征是靠納米結(jié)構(gòu)組裝形成，不像天然酶靠折疊形成，產(chǎn)生活性的機制不一樣。

納米酶提供了融合物質(zhì)科學(xué)與生命科學(xué)的另一個選項，進(jìn)一步拓展了對于生命起源問題的認(rèn)識。過氧化物納米酶是最初發(fā)現(xiàn)的一類納米酶，根據(jù)國際生物化學(xué)和分子生物學(xué)協(xié)會（IUBMB）對天然酶的分類方式，納米酶的催化類型目前已經(jīng)擴展到了氧化還原酶、水解酶、裂合酶、異構(gòu)酶和連接酶等五大類。其中，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越了相對應(yīng)的天然酶。與此同時，得益于無機材料的納米效應(yīng)，納米酶作為一類獨特的催化劑，其催化效率較高，結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)定，適用條件比較寬泛，不僅包括溫和的生理條件，還包括極端環(huán)境。納米酶還被國際純粹與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會（IUPAC）列入2022年“全球十大新技術(shù)”，其原因就在于納米酶“結(jié)合天然和人工催化的力量”。納米酶目前被認(rèn)為是一類新的功能材料，它既有納米材料的理化特性和光電磁特性，還有獨特的類酶催化活性。比較巧合的是，這些理化特性有可能會調(diào)控催化活性，使得納米酶跟傳統(tǒng)的小分子模擬酶區(qū)別開來，它有比較好的穩(wěn)定性、耐高溫、低溫、耐酸堿、活性可調(diào)，因此受到了廣泛關(guān)注。

從知識體系的角度來看，納米酶的學(xué)科特點主要表現(xiàn)為：

學(xué)科交叉。納米酶是納米材料理化性質(zhì)與類酶效應(yīng)的完美結(jié)合，涉及的知識基礎(chǔ)包括物理學(xué)、化學(xué)、納米科技、生物醫(yī)學(xué)、藥學(xué)、材料學(xué)等諸多學(xué)科，應(yīng)用范圍橫跨化工、食品、醫(yī)藥、環(huán)境等多個行業(yè)。例如，文獻(xiàn)作為納米酶的里程碑節(jié)點，首次從酶學(xué)視角研究無機納米材料，主要作者的學(xué)科背景包括了生命科學(xué)和醫(yī)學(xué)、納米材料、物理化學(xué)和酶學(xué)等，充分體現(xiàn)了交叉性。

應(yīng)用導(dǎo)向。需求的拉動作用是納米酶發(fā)展的核心動力。通過文獻(xiàn)計量研究發(fā)現(xiàn)，隨著納米酶影響力的不斷擴大，該領(lǐng)域研究從氧化鐵、金納米粒子延伸到金屬有機骨架、碳點等材料，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(huán)境整治等應(yīng)用。這些前沿主題很好地反映了納米酶的應(yīng)用方向。

開放性。作為一個交叉學(xué)科的產(chǎn)物，納米酶的提出，無論是對于人工模擬酶的催化機制，還是對納米材料的生物效應(yīng)，都會拓展新的發(fā)展空間。例如，F(xiàn)e3O4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(tài)的硫化鎘（CdS）材料除了具有催化活性外，還具備穩(wěn)定的光學(xué)性能。因此，納米酶也可以被視為是一種整合性的多功能分子。如何把納米酶的物理學(xué)、化學(xué)特性與其催化活性有機結(jié)合起來，創(chuàng)造出更多奇妙的新功能，是未來研究的重要方向。盡管很多納米酶沒有表現(xiàn)出與酶的一些結(jié)構(gòu)或功能相似性，但是納米酶對于描述催化納米材料在生物系統(tǒng)中的功能和設(shè)計功能性酶替代品很有價值。納米酶將會有力地推動納米技術(shù)與生物學(xué)之間的交流，帶來新的思想和學(xué)術(shù)熱情。

納米酶的知識結(jié)構(gòu)

學(xué)科都有其基本結(jié)構(gòu)，隨著學(xué)科的發(fā)展，學(xué)科結(jié)構(gòu)處于不斷變化之中，任何與該學(xué)科有聯(lián)系的事實、論據(jù)、觀念、概念等都可以不斷被納入該學(xué)科結(jié)構(gòu)之內(nèi)。厘清知識體系自身結(jié)構(gòu)及其與應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域邏輯的相互關(guān)系，對學(xué)科發(fā)展至關(guān)重要。從納米酶的知識結(jié)構(gòu)來看，主要有基礎(chǔ)理論、理性設(shè)計、技術(shù)方法、應(yīng)用研究4個方面（圖5）。未來圍繞這4個方面的內(nèi)容，科學(xué)共同體及相關(guān)人員通過不斷努力，將納米酶打造成極具影響力的新興學(xué)科。

基礎(chǔ)理論。研究納米酶各類型催化的機理問題，闡釋納米酶尺度效應(yīng)與特異催化功能之間的相互關(guān)系，挖掘新型的納米材料并研究、總結(jié)其催化特性，從微小粒子角度和納米尺度剖析還原納米酶完整的催化過程，以及其酶學(xué)動力學(xué)和熱力學(xué)機制，建立起完善、成熟的納米酶催化理論體系。基礎(chǔ)理論是納米酶學(xué)科的核心，決定著未來發(fā)展的深度與廣度，也可以拓展對一些基礎(chǔ)科學(xué)問題的認(rèn)識。

理性設(shè)計。如何開發(fā)有效策略實現(xiàn)高性能納米酶的設(shè)計是納米酶研究領(lǐng)域的核心問題。主要包括2個方面：利用結(jié)構(gòu)生物學(xué)的方法進(jìn)一步提高其催化活性，重點關(guān)注納米酶各組成元件之間的構(gòu)效關(guān)系，例如納米酶的顆粒尺寸、組分、界面與晶面、形貌、修飾等；借鑒仿生生物學(xué)的思路模擬天然酶催化活性中心的構(gòu)象結(jié)構(gòu)，包括其周圍微環(huán)境中的氨基酸分子、輔酶、輔基和輔因子等以改善其催化活性。此外，探究納米顆粒在生物體內(nèi)的代謝途徑，關(guān)注納米酶生物相容性及量化研究，可以拓展對納米酶體內(nèi)行為的認(rèn)識和理解，對于各類型納米酶的設(shè)計組裝與優(yōu)化具有顯著促進(jìn)作用，同時能夠充分發(fā)揮納米酶及其相關(guān)技術(shù)在疾病診療領(lǐng)域的巨大潛力。

技術(shù)方法。目前制備納米酶的方法主要包括物理合成法、化學(xué)合成法和生物合成法。雖然納米酶的制備取得了一些成果，但其合成方式在實際生產(chǎn)中仍存在許多需要解決的問題，主要體現(xiàn)在：如何在工業(yè)化生產(chǎn)中解決納米酶容易被氧化、吸濕和團聚問題？納米酶活性發(fā)生變化的機理及其在制備中的動力學(xué)和熱力學(xué)過程仍需深入研究；納米酶合成及工程化如何更加綠色？同時，為了更好地探討納米酶結(jié)構(gòu)與性能間復(fù)雜的相互關(guān)系，在納米尺度和原子尺度上發(fā)展原位、實時、動態(tài)的表征技術(shù)十分重要。此外，理論計算研究及高通量篩選、機器學(xué)習(xí)等方法，在預(yù)測和模擬納米酶催化反應(yīng)機制和過程方面具有重要的借鑒意義；模塊化計算與質(zhì)量可控制備、納米酶結(jié)構(gòu)形貌的精確控制等技術(shù)方法，對于納米酶的優(yōu)化設(shè)計也十分關(guān)鍵。

應(yīng)用研究。早期納米酶主要應(yīng)用在體外診斷和檢測，以及環(huán)境監(jiān)測和治理方面，近年來開始向體內(nèi)診療領(lǐng)域等應(yīng)用場景延伸。通過對納米酶的理性設(shè)計和催化機制的深入了解，相關(guān)研究帶動了納米材料的研制，并且拓展了納米材料的應(yīng)用范圍，這些材料在環(huán)境治理、極端條件化學(xué)合成、疾病治療等領(lǐng)域都具有巨大的應(yīng)用前景。

納米酶的主要應(yīng)用

納米酶之所以受到廣泛關(guān)注，主要是因為它突破了天然酶易失活、不穩(wěn)定、成本高等瓶頸，同時融合了獨特的納米效應(yīng)和功能，對諸多領(lǐng)域和行業(yè)都有可能帶來革命性的技術(shù)創(chuàng)新或更新，因而具有廣泛的轉(zhuǎn)化應(yīng)用前景。此外，納米酶已經(jīng)顯示出良好的生物相容性，這確保了在醫(yī)療保健應(yīng)用中的安全集成，包括生物成像和病原體檢測。

檢測與診斷

分析診斷是納米酶主要的應(yīng)用方向之一，相關(guān)研究在整個納米酶領(lǐng)域中的占比超過50%。鑒于其高穩(wěn)定性和低成本特性，納米酶特別適用于檢測診斷體系，以及作為催化放大信號的關(guān)鍵材料，取代天然酶如辣根過氧化物酶用于免疫分析檢測和傳感檢測。

納米酶催化放大信號主要基于其過氧化物酶等活性，催化產(chǎn)生的信號包括顯色（底物如TMB、DAB等）、熒光、化學(xué)發(fā)光及電化學(xué)信號等，應(yīng)用于酶聯(lián)免疫分析、免疫組化、試紙條、生物傳感器等技術(shù)，檢測范圍包括生化小分子如葡萄糖、尿酸等，多種腫瘤、神經(jīng)、心腦血管等疾病標(biāo)志物，以及抗原/抗體、病毒、細(xì)菌等。以納米酶取代天然酶或直接作為核心檢測元件，不僅能顯著提高檢測靈敏度，還能延長器件的壽命，降低成本。例如，納米酶試紙條技術(shù)，以納米酶取代膠體金，提高檢測靈敏度10—100倍，該技術(shù)率先在2018年獲得醫(yī)療器械注冊證書，目前在公安部推廣試用；得益于納米酶的高穩(wěn)定性，可以用于植入式或可穿戴式血糖等生化指標(biāo)的實時檢測。

催化醫(yī)學(xué)

納米酶有望推動酶催化技術(shù)在臨床疾病治療的廣泛應(yīng)用。受限于天然酶的易降解、不穩(wěn)定、易產(chǎn)生免疫原性等不足，酶催化技術(shù)并沒有如同抗體一樣廣泛用于疾病治療。盡管人們早就知道酶與多種新陳代謝活動和病理發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)，并且已經(jīng)發(fā)現(xiàn)超過6000余種，但是實際用于醫(yī)學(xué)疾病治療的酶類僅有40余種。如果能夠克服天然酶的瓶頸，酶催化技術(shù)可能帶來新的疾病療法，區(qū)別于化學(xué)小分子、抗體、細(xì)胞因子、細(xì)胞等藥物的機制，通過催化生化底物調(diào)控代謝途徑或產(chǎn)生藥物，能夠以極低濃度催化放大治療效果，具有“四兩撥千斤”的功效。

基于當(dāng)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(diào)控氧化還原代謝來治療或改善疾病，還能自身或與天然酶結(jié)合進(jìn)行級聯(lián)反應(yīng)提升治療效果，同時納米酶具有的光電磁等多種納米效應(yīng)進(jìn)一步協(xié)同增強治療效率，實現(xiàn)靶向、響應(yīng)、可控、多功能診療一體化的疾病診療策略。

當(dāng)前，研究人員在納米酶催化醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，包括腫瘤催化治療、催化抗菌、心腦血管疾病防治、抗炎等方向開展了大量的研究。其中基于催化抗菌提出了納米酶抗生素（nanozybiotics），為解決細(xì)菌耐藥提供新策略。基于氧化鐵納米酶抗菌防齲的工作在2023年進(jìn)入人體臨床研究階段。此外，阿爾茲海默病Heme-Aβ 復(fù)合體顯示過氧化物酶活性。人腦中存在磁鐵礦，納米酶可能通過類酶活性參與阿爾茨海默病等重大疾病的發(fā)生，使其成為潛在的疾病治療新靶點。

農(nóng)業(yè)與食品加工

納米酶在植物培養(yǎng)、動物養(yǎng)殖方面具有重要的應(yīng)用前景。基于其氧化還原活性，納米酶可以促進(jìn)植物抗逆。例如，促進(jìn)種子出芽、固氮或光合作用。其殺菌性能用于替代抗生素。例如，防治沙門氏菌感染、滅活禽流感病毒。納米酶還可以用于檢測農(nóng)藥殘留和降解農(nóng)藥和毒素。納米酶氧化分解能力還有可能用于農(nóng)田秸稈降解，尤其是低溫條件下分解纖維，為秸稈綜合利用提供了有效的新思路。

此外，在食品加工和保鮮、質(zhì)控方面，納米酶也具有巨大的應(yīng)用前景。例如，可以防止或消除食品中的各類微生物及外界光照、溫度、濕度等多種因素對食品的潛在不良影響，以確保食品安全等。

環(huán)境、能源與化工

納米酶在環(huán)境監(jiān)測和治理方面具有巨大的應(yīng)用前景。基于納米酶的傳感檢測技術(shù)可以監(jiān)測環(huán)境中有害物質(zhì)，如雙氧水、酸雨、重金屬、抗生素等。同時納米酶降解技術(shù)可以有效降解清除這些有害物質(zhì)。尤其是，對于水中有機污染物的降解和清除，相比于傳統(tǒng)的化學(xué)降解如芬頓催化，以及微生物分解，納米酶技術(shù)更具優(yōu)勢，不僅適應(yīng)低溫等極端環(huán)境，同時可回收反復(fù)利用。

在能源領(lǐng)域，納米酶也蓄勢待發(fā)，不僅可用于開發(fā)生物燃料電池，還可以作為催化劑介導(dǎo)清潔能源的制備。在化工生產(chǎn)中，對于有些天然酶所介導(dǎo)的關(guān)鍵的反應(yīng)步驟，納米酶具有成本低、穩(wěn)定性高和極強的環(huán)境適應(yīng)性等優(yōu)勢，因而可以取代天然酶提高化工生產(chǎn)效率和降低成本。

生物安全與防護

生物安全與防護逐漸受到重視，尤其是新冠疫情之后，已經(jīng)上升到國家戰(zhàn)略層面。針對細(xì)菌病毒等潛在危害，需要開發(fā)新的綠色洗消和防護技術(shù)。納米酶介導(dǎo)的催化殺菌、滅活病毒和降解毒物等技術(shù)有助于開發(fā)新型安全與防護策略。例如，整合到口罩或防護服中，作為關(guān)鍵材料添加到新風(fēng)過濾膜中；海洋防污中作為涂料涂敷于輪船表面，防止海洋微生物的粘附生長。

納米酶的發(fā)展展望

由于納米酶是人工制造的，可以按需設(shè)計，因此它們在穩(wěn)定性、可回收性和成本方面具有優(yōu)勢。為此，納米酶未來研究方向主要集中在3個方面：研究納米酶催化特點，闡明催化規(guī)律；針對實際應(yīng)用中的痛點，解決實際問題；拓展深化對生命起源等自然科學(xué)領(lǐng)域重大科學(xué)問題的理解。

深入理解催化機制和獨特性

納米酶兼具天然酶催化和化學(xué)催化的優(yōu)勢于一體，跟這2種傳統(tǒng)的催化方式既有相似的部分，也具有自身獨特的地方。未來關(guān)于納米酶的研究，不僅需要提升催化效率和選擇性以及拓展活性類型，還需要進(jìn)一步挖掘納米酶的獨特性能，從物理學(xué)和化學(xué)層面闡明納米酶催化的本征規(guī)律，尤其是內(nèi)部納米結(jié)構(gòu)與表面催化之間的內(nèi)在關(guān)系。例如，納米酶介導(dǎo)的低溫催化、光電磁對催化活性的調(diào)控、多酶級聯(lián)催化，這些特性顯著區(qū)別于酶催化和化學(xué)催化，現(xiàn)有的理論和方法不能解釋這些現(xiàn)象。聚焦這些基礎(chǔ)問題有望進(jìn)一步認(rèn)識納米酶催化的規(guī)律，拓展酶催化和化學(xué)催化的邊界。

發(fā)展需求驅(qū)動的轉(zhuǎn)化應(yīng)用

納米酶不僅可能取代天然酶的應(yīng)用，還能結(jié)合自身多功能性拓展新的應(yīng)用，尤其是在不友好的環(huán)境中天然酶無法發(fā)揮作用的場景。納米酶作為一類新材料應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，但是實驗室研制的納米酶樣品無法直接使用，需要與實際需求密切結(jié)合，優(yōu)化改進(jìn)后才能轉(zhuǎn)化應(yīng)用。因此，需要介入工程理念，從實際需求角度進(jìn)一步理性設(shè)計和改造納米酶，針對不同的應(yīng)用建立相應(yīng)的小試—中試—規(guī)模化生產(chǎn)工藝路線，從產(chǎn)品性能、規(guī)模、成本等方面建立質(zhì)控標(biāo)準(zhǔn)。此外，納米酶相關(guān)的國家、國際和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)也需要同步建立和完善，用于指導(dǎo)納米酶產(chǎn)品的開發(fā)和研制。

納米酶與生命起源

生命起源是自然科學(xué)領(lǐng)域重大科學(xué)問題之一，納米酶作為無機與有機之間的橋梁分子，有可能在生命起源過程中扮演重要的作用。當(dāng)前生命起源存在多種假說，但是每個假說都只解釋無機到有機，生物大分子到生物體形成過程中的一個階段，尚缺乏能夠?qū)⑦@些階段串聯(lián)起來的關(guān)鍵物質(zhì)。最近，研究人員提出納米酶貫穿生命起源全過程的假說，原因是在地球火山口、海底及太空隕石中都存在鐵硫等形成的納米顆粒，極可能具有納米酶的催化屬性，起著“無中生有”的作用；同時，研究人員還發(fā)現(xiàn)一些細(xì)菌或古細(xì)菌中也發(fā)現(xiàn)具有無機納米酶顆粒，后者具有催化功能，調(diào)控氧化還原水平，并與原核與真核蛋白-金屬酶系統(tǒng)進(jìn)化存在聯(lián)系。此外，生物體內(nèi)一些多肽或蛋白聚集形成的納米物質(zhì)也展現(xiàn)出納米酶催化特性，可能與多種疾病的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)。這些自然或生物體內(nèi)的納米酶有可能為生命起源提供新的信息，也將進(jìn)一步拓展生物催化劑概念。例如，除了蛋白質(zhì)與核酸之外，自然界可能還有另外一種形式的生物催化劑，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(dǎo)和修改。

（作者：杜鵬、焦健，中國科學(xué)院科技戰(zhàn)略咨詢研究院；高利增、范克龍、閻錫蘊，中國科學(xué)院生物物理研究所中國科學(xué)院納米酶工程實驗室 中原納米酶實驗室鄭 鄭州大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院納米酶醫(yī)學(xué)研究中心；編審：黃瑋；《中國科學(xué)院院刊》供稿）