VIEW:生物启发的钼基纳米酶:合成、催化机制及生物医学应用

纳米酶具有新颖的理化性质和类酶催化活性,是传统天然酶的良好替代品。随着纳米技术的快速发展,纳米酶的生物医学应用已成为研究热点。与天然酶相比,纳米酶具有强大的催化活性、低成本、高稳定性和易于大规模生产等优势,即使在苛刻的生理条件下也能催化底物发生反应。通过将优异的理化性质与类酶催化活性相结合,纳米酶可以实现从检测到监测和治疗的多功能生物应用。越来越多的研究者相继揭示了各种典型纳米材料的类酶活性,以模拟天然酶的结构和功能。模拟酶的纳米材料主要包括贵金属、过渡金属硫/氧化物、碳基纳米材料、金属有机框架材料等。然而,并非所有的纳米酶都适用于复杂的生物系统。

中国科学院高能物理研究所的纳米生物效应研究团队及其合作者全面总结了钼基纳米酶的典型合成策略、催化机制以及酶活性类型。文章主要强调了生物启发的钼基纳米酶的优点,即通过调节其理化性质来实现类酶活性、稳定性和多功能等的调控。在此基础上深入总结和讨论了钼基纳米酶的生物医学应用、尚需解决的关键问题及其发展前景。

钼基纳米材料具有多种相结构和多价态,钼元素的主要价态包括钼(0)、钼(III)、钼(IV)、钼(V)和钼(VI)。其可变的多价态归因于电子构型中存在缺陷位置和易丢失的单电子,从而成为各类催化反应的优异催化剂。除了具有催化功能外,钼基纳米材料还具有独特的理化性质,如大的比表面积、易于表面改性和良好的近红外光热转换效率等,从而在电子、能源、传感以及生物医学方面有着广泛应用。在生物医用中,钼是从细菌、植物到人类的所有生命体生存所必需的微量元素和营养物,是各种钼基酶如黄嘌呤脱氢酶、醛氧化酶、亚硫酸盐氧化酶的辅因子。钼在生物系统中作为催化氧化还原和氧转移反应的天然酶的关键成分已被充分证实。然而,与任何其他天然酶一样,钼基酶是蛋白质,通常在储存中不稳定,制造成本高,并且对苛刻的理化条件极其敏感。生物启发的钼基纳米酶种类多样,包括钼基过渡金属硫/氧化物、钼的各种杂化结构等,是一种先进的人工酶,具有类酶活性可调、稳定性高、功能多样等特点。

鉴于此,中国科学院高能物理研究所的纳米生物效应研究团队长期致力于钼基纳米酶的合成、智能响应型抗肿瘤及其抗菌研究工作,并取得了系列进展(Mater. Horiz. 2020, 7, 1834;ACS Nano 2020, 14, 10001;ACS Nano 2016, 10, 11000;ACS Nano 2014, 8, 6922),为开拓钼基纳米酶的生物医学应用并提高其拟酶催化功能提供了新思路。近日,该研究团队及其合作者在VIEW期刊上发表了题为“”的综述文章(DOI: 10.1002/VIW.20200188) 。该篇综述系统地介绍了钼基纳米酶的主要类型,并详细概述了相关的催化机制、影响拟酶催化活性的主要因素以及近年来这些钼基纳米酶的生物医学应用研究。该综述还针对钼基纳米酶的生物医学应用研究面临的挑战进行了分析和总结。首先,系统梳理了钼基纳米酶的类酶催化活性类型:过氧化物酶,氧化酶(OXD),过氧化氢酶(CAT),超氧化物歧化酶(SOD)和硝酸还原酶(NRase);其次,进一步分析了钼基纳米酶的催化活性与天然酶相比具有的优势:(1)理化性质(包括尺寸、形状、层数、相结构及表面功能化)调控钼基纳米酶的催化性能;(2)钼基纳米酶具有良好的环境稳定性,比如在pH(3.0–9.0)或温度(25–90 °C)范围内依旧具有良好的酶催化活性;(3)钼基纳米酶具有多功能性。除了酶催化活性,许多钼基纳米酶具有良好的光热转换效率,有的钼基纳米酶还可与其功能性材料复合并形成多功能钼基纳米酶。文章涵盖和详述了近年来典型钼基纳米酶的生物医学应用,如生物传感与检测、抗肿瘤、抗菌,抗氧化等。最后,文章对钼基纳米酶在生物医学领域的发展前景及今后的研究重点进行了探讨。文章指出,钼基纳米酶生物安全性的系统评估是临床转化前的重要环节,同时还强调了钼基纳米酶的催化机制尚需深入研究,并指出通过优化钼基纳米酶的理化参数、探索钼基纳米酶类似天然酶结构的可控设计与合成,尤其是单原子钼基纳米酶活性的调控或将成为今后研究的热点,从而更高效地促进其向临床转化的应用。论文的第一作者为祖艳博士,通讯作者为尹文艳副研究员。