納米酶：小身材突破細瓶頸

西山石

不盡人意的生物酶應(yīng)用

我們在初中的時候就學到了酶，課本上說酶是“由活細胞產(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)過怎樣的曲折才最終確定了這個定義的嗎？

酒是中國發(fā)明的特色飲品。傳說夏朝的一個糧官杜康為了保存過剩的糧食，把糧食倒進了干燥的樹干里。過了一段時間再來看，樹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來，杜康也被人們尊稱為“酒神”。

從釀酒的方法開始，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，許多位科學家通過觀察、分離和驗證，才確認了這些“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，辣根過氧化物酶可以使被滅殺的抗原快速變色，更有利于檢測抗原的活動情況，診斷疾病。

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

納米酶的發(fā)現(xiàn)

為了擴大生物酶的應(yīng)用范圍，科學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，直到一個偶然的發(fā)現(xiàn)改變了這種狀況。

2007年，中科院閻錫蘊院士帶領(lǐng)的研究團隊在研究如何用納米材料進行抗原的檢測時發(fā)現(xiàn)了一個“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氧化物酶才會發(fā)生，單獨的磁鐵納米顆粒竟然也能做到！

磁鐵是無機物，怎么會具有酶的催化活性？開始，研究人員認為這可能是反應(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)實驗，但結(jié)果依然如此。

這讓從事這項實驗的博士研究生高利增很苦惱，覺得自己的課題走進了死胡同。而閻錫蘊并沒有輕易放棄，她又找來兩名學生，和高利增一起背靠背重復(fù)該實驗：結(jié)果仍然一樣！這時，在排除了各種可能性之后，只剩下唯一的解釋：納米級的磁鐵顆粒可能具有與辣根過氧化物酶同樣的催化活性。

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

納米酶帶來新曙光

顧名思義，納米酶是一類既有納米材料的獨特性能，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，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、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。納米酶之所以被認為具有類酶催化效應(yīng)，不僅僅是因為它有著高效的催化活性，可以像生物酶一樣催化相同的化學反應(yīng)，更是因為它可以像生物酶一樣在常溫常壓條件下高效地催化化學反應(yīng)。

與生物酶相比，納米酶作為一種無機顆粒，在高溫高壓和酸堿條件下都不會變性，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，在化工、農(nóng)業(yè)、醫(yī)學、環(huán)境等多個領(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，引起了多個領(lǐng)域科學家的興趣和高度重視，越來越多的科學家開始研究和應(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家們樂此不疲。

例如用DNA和磁氧化鐵結(jié)合的納米酶，可以檢測環(huán)境中的汞離子，如果環(huán)境中有汞離子，DNA結(jié)合了汞離子就會離開納米酶，納米酶就會發(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，這樣就可以檢測到汞離子的存在。

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

天然的納米酶選擇性比較差，比如具有分解過氧化氫作用的納米酶，在沒有過氧化氫的情況下它們會產(chǎn)生氧化作用，使底物變色，這使我們無法精確檢測過氧化氫?？茖W家將氮和硼一起摻雜到石墨烯中，得到了只會分解過氧化氫而沒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的準確性，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”，未來極有可能取代現(xiàn)有的生物酶，大展身手，讓我們拭目以待。