纳米酶：纳米生物学领域的“新星”

  

     纵观科学与技术发展的历史，可发现当代科技是微观与宏观的统一、多学科的相互交叉，各基础科学向各学科领域渗透等多因素综合作用的结果，科学前沿的很多重大突破得益于学科交叉融合。近百年来，诺贝尔自然科学奖中，近半数是学科交叉融合的结果。例如，DNA分子双螺旋结构的发现，就是依靠物理学、生物学、化学交叉融合取得的。事实上，随着科学的发展，仅凭某一学科领域的研究已很难解决复杂的现实问题。

     随着人类基因组计划的完成，纳米科学与生物物理化学技术的发展迅猛，学科之间的彼此交融日益紧密，人们进入了后生命科学时代。其中，令人瞩目的“纳米酶”便是多学科交叉融合的产物，成为后生命科学时代一颗冉冉升起的新星。

     自然界中绝大多数生命过程都有“酶”参与。天然酶是一类具有催化功能的生物分子，以蛋白质为主，其催化特点是效率高、底物专一。然而，由于大多数天然酶含量很低，且遇到热、酸、碱等非生理条件，容易发生变性而失去功能。随着纳米科学的蓬勃发展，纳米技术、纳米材料逐渐渗透到生命科学的各个分支领域。2007年，我国科学家发现无机纳米材料Fe3O4本身具有类似天然酶——辣根过氧化物酶（Horseradish peroxidase，HRP）的生物活性，其催化效率亦与天然酶相似。自此，我国科学家首次提出了“纳米酶”概念。

     与传统的模拟酶相比，纳米酶的催化效率较高，同时还具备对热、酸和碱稳定，可规模化制备及价格较低的特点。这些特点不仅弥补了天然酶昂贵且不稳定的弱点，还克服了以往模拟酶催化效率不高的问题。因此，纳米酶具有潜在的广泛应用价值，与其相关的应用研究也日渐增多。

     纳米酶的出现，为肿瘤诊断和治疗提供了新的思路。例如，研究人员在磁纳米粒的表面偶联抗体分子，使其成为既识别肿瘤又显色肿瘤的纳米探针，获得了与传统酶标抗体的免疫组化方法相类似的结果。更有趣的发现是，氧化铁纳米粒在过氧化氢存在的条件下，可以通过其过氧化物模拟酶的性质直接杀死肿瘤细胞。

     利用纳米酶建立的免疫检测方法，可对很多抗原实现快速检测，这其中包括蛋白质、核酸、小分子抗原、病毒、细菌和细胞。这些利用纳米酶建立的酶联免疫检测方法，提高了检测的速度和灵敏度，在临床诊断方面具有巨大的应用前景。

     由于纳米酶的出现，使得磁纳米材料的体内示踪变得容易操作，无需在纳米材料的表面标记任何基团。目前，纳米材料已被作为药物载体和造影剂广泛应用于体内影像和疾病治疗。这种新方法的灵敏度更高，并且避免了因传统材料的修饰而影响纳米材料的体内代谢，也为具有过氧化物酶活性的纳米材料示踪提供了新的思路。

     过氧化氢是常用的杀菌消毒剂，这是由于过氧化氢能分解产生自由基，从而破坏细菌的活性组分。但这种产生自由基的效率较低，加入催化剂则会加速反应的产生。具有过氧化物模拟酶活性的纳米材料可以作为这样的催化剂，来提高过氧化氢产生自由基的效率，增强杀菌消毒的效果。因此，纳米酶的抗菌作用可以抑制微生物黏附，有效防止生物膜的形成，在轮船外壳防污方面具有潜在的应用价值。

     纳米酶可以取代天然酶而用于对环境的监测。科学家利用过氧化物纳米酶的催化活性，可快速检测出雨水中过氧化氢的含量，实现对酸雨的监测，还可以检测环境中的重金属离子汞离子等。另外，纳米酶对多种污染物都具有降解作用，在污水治理方面也将具有广泛的应用价值。

     纳米酶的检测方法适合在多种条件下操作，并且简单价廉。因此，可以很容易被应用到多种农药、有机磷化合物的神经毒性筛查及国防安全中。

     鉴于纳米酶是一类既有纳米材料的独特性能，又有催化功能的模拟酶，如何把纳米酶的这种双重功能特性巧妙地结合起来，创造出更多奇特功能的纳米酶，揭示其作用机制并将其应用于人类健康、环境保护和生物能源，是今后有待研究的新课题。