納米酶：小身材突破細(xì)瓶頸

西山石

不盡人意的生物酶應(yīng)用

我們?cè)诔踔械臅r(shí)候就學(xué)到了酶，課本上說(shuō)酶是“由活細(xì)胞產(chǎn)生的具有催化作用的蛋白質(zhì)或RNA”，那你知道酶是怎么被發(fā)現(xiàn)，又是經(jīng)過(guò)怎樣的曲折才最終確定了這個(gè)定義的嗎？

酒是中國(guó)發(fā)明的特色飲品。傳說(shuō)夏朝的一個(gè)糧官杜康為了保存過(guò)剩的糧食，把糧食倒進(jìn)了干燥的樹(shù)干里。過(guò)了一段時(shí)間再來(lái)看，樹(shù)洞里多了一些清香撲鼻的液體，杜康把這些液體分給村民們品嘗，非常受大家的歡迎。于是，酒在民間逐漸普及開(kāi)來(lái)，杜康也被人們尊稱為“酒神”。

從釀酒的方法開(kāi)始，人們逐漸發(fā)現(xiàn)了制醋、制醬、制奶酪等的方法，這些方法中最重要的原料就是“曲”，這些“曲”就是我們現(xiàn)在釀造工業(yè)中常用的各種真菌，許多位科學(xué)家通過(guò)觀察、分離和驗(yàn)證，才確認(rèn)了這些“曲”中起作用的是真菌產(chǎn)生的蛋白質(zhì)酶，發(fā)現(xiàn)蛋白酶后又過(guò)了50年，人們才發(fā)現(xiàn)起作用的不全都是蛋白質(zhì)酶，還有一些RNA酶也在發(fā)揮作用，至此人們才建立了我們現(xiàn)在所學(xué)的生物酶的概念。

小小的生物酶被用在生活中的方方面面，例如，果膠酶和纖維素酶可以軟化衣物纖維，用在紡織行業(yè);脂肪酶可以用于污水治理;在醫(yī)藥方面，辣根過(guò)氧化物酶可以使被滅殺的抗原快速變色，更有利于檢測(cè)抗原的活動(dòng)情況，診斷疾病。

遺憾的是，我們知道蛋白質(zhì)在高溫高壓的環(huán)境下會(huì)失去作用，而且生物酶多數(shù)來(lái)自于動(dòng)植物體內(nèi)，培養(yǎng)時(shí)間長(zhǎng)，耗費(fèi)人力物力多，這就大大限制了生物酶的應(yīng)用。

納米酶的發(fā)現(xiàn)

為了擴(kuò)大生物酶的應(yīng)用范圍，科學(xué)家們也想了很多方法，改變生物酶結(jié)構(gòu)、合成人工模擬酶等，但這些方法基本都是事倍功半，不盡如人意，直到一個(gè)偶然的發(fā)現(xiàn)改變了這種狀況。

2007年，中科院閻錫蘊(yùn)院士帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)在研究如何用納米材料進(jìn)行抗原的檢測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)了一個(gè)“詭異”的現(xiàn)象：有磁力的四氧化三鐵（俗稱磁鐵）制成納米顆粒后，在人體組織中可以吸引帶有電荷的抗原分子，并且可以使抗原變色。而使抗原變色原本需要加入辣根過(guò)氧化物酶才會(huì)發(fā)生，單獨(dú)的磁鐵納米顆粒竟然也能做到！

磁鐵是無(wú)機(jī)物，怎么會(huì)具有酶的催化活性？開(kāi)始，研究人員認(rèn)為這可能是反應(yīng)體系中某種成分被污染所致，于是輪番更換各種試劑，不斷重復(fù)實(shí)驗(yàn)，但結(jié)果依然如此。

這讓從事這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)的博士研究生高利增很苦惱，覺(jué)得自己的課題走進(jìn)了死胡同。而閻錫蘊(yùn)并沒(méi)有輕易放棄，她又找來(lái)兩名學(xué)生，和高利增一起背靠背重復(fù)該實(shí)驗(yàn)：結(jié)果仍然一樣！這時(shí)，在排除了各種可能性之后，只剩下唯一的解釋：納米級(jí)的磁鐵顆粒可能具有與辣根過(guò)氧化物酶同樣的催化活性。

閻錫蘊(yùn)帶著這個(gè)大膽的假設(shè)去請(qǐng)教化學(xué)家和材料學(xué)家，起初大家都不敢相信，并對(duì)此提出很多質(zhì)疑。為此，她和她的學(xué)生們從酶學(xué)角度，系統(tǒng)對(duì)比研究了磁鐵納米顆粒與天然的辣根過(guò)氧化物酶，最終證明了它們具有同樣的催化效率和催化機(jī)理。這項(xiàng)成果在《自然—納米技術(shù)》雜志上發(fā)表之后，立刻引起了材料、化學(xué)和生物等多領(lǐng)域的研究者高度關(guān)注。英國(guó)皇家化學(xué)會(huì)刊發(fā)表綜述，認(rèn)為這是酶學(xué)史上一個(gè)里程碑式的事件，納米酶不僅克服了長(zhǎng)期以來(lái)天然酶容易失活，多數(shù)模擬酶催化效率不高的問(wèn)題，還為模擬酶研究提供了新思想和新材料。

納米酶帶來(lái)新曙光

顧名思義，納米酶是一類既有納米材料的獨(dú)特性能，又有催化功能的模擬酶。自從四氧化三鐵（磁鐵）納米酶被發(fā)現(xiàn)以來(lái)，人們陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了許多金屬氧化物納米酶和非金屬納米酶，如二氧化鈦納米顆粒、氧化銅納米顆粒、碳納米點(diǎn)、氧化石墨烯（石墨烯是一種由碳原子組成的碳納米材料。）等都具有催化活性。納米酶之所以被認(rèn)為具有類酶催化效應(yīng)，不僅僅是因?yàn)樗兄咝У拇呋钚裕梢韵裆锩敢粯哟呋嗤幕瘜W(xué)反應(yīng)，更是因?yàn)樗梢韵裆锩敢粯釉诔爻簵l件下高效地催化化學(xué)反應(yīng)。

與生物酶相比，納米酶作為一種無(wú)機(jī)顆粒，在高溫高壓和酸堿條件下都不會(huì)變性，在工廠里還可以批量生產(chǎn)，所以它的催化特性被發(fā)現(xiàn)以來(lái)，在化工、農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)、環(huán)境等多個(gè)領(lǐng)域都可看到它的身影：四氧化三鐵納米酶制成的試紙條，滴上一滴血液就可以看出病人身上的病毒有多少。二氧化鈦納米酶噴灑到植物的葉片上，可以提高植物進(jìn)行光合作用的速度，還有消毒殺菌能力，大大降低了植物的發(fā)病率。

納米酶的更新?lián)Q代

納米酶被發(fā)現(xiàn)以來(lái)，引起了多個(gè)領(lǐng)域科學(xué)家的興趣和高度重視，越來(lái)越多的科學(xué)家開(kāi)始研究和應(yīng)用納米酶。除了尋找更多種類的納米酶以外，改造納米酶，拓寬它的作用范圍也讓科學(xué)家們樂(lè)此不疲。

例如用DNA和磁氧化鐵結(jié)合的納米酶，可以檢測(cè)環(huán)境中的汞離子，如果環(huán)境中有汞離子，DNA結(jié)合了汞離子就會(huì)離開(kāi)納米酶，納米酶就會(huì)發(fā)生作用，使底物（底物就是能和特異的酶結(jié)合的物質(zhì)）變色，這樣就可以檢測(cè)到汞離子的存在。

將能特異識(shí)別腫瘤細(xì)胞的鐵蛋白（含鐵蛋白質(zhì)，惡性腫瘤標(biāo)志物之一）和氧化鐵納米酶結(jié)合，既可以定位腫瘤細(xì)胞，還能使它顯色現(xiàn)形。

天然的納米酶選擇性比較差，比如具有分解過(guò)氧化氫作用的納米酶，在沒(méi)有過(guò)氧化氫的情況下它們會(huì)產(chǎn)生氧化作用，使底物變色，這使我們無(wú)法精確檢測(cè)過(guò)氧化氫。科學(xué)家將氮和硼一起摻雜到石墨烯中，得到了只會(huì)分解過(guò)氧化氫而沒(méi)有氧化作用的新型納米酶，這種有選擇性的納米酶提高了檢測(cè)的準(zhǔn)確性，可以用于阿爾茨海默病的早期診斷。

納米酶產(chǎn)業(yè)方興未艾，它作為生物酶的“雙生兄弟”，未來(lái)極有可能取代現(xiàn)有的生物酶，大展身手，讓我們拭目以待。