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从无机到有机——纳米材料激活人工酶的特殊性能




生物体内的天然酶具有非常重要的作用,它们参与了不同细胞中几乎所有的化学反应,譬如信号传递、DNA复制、免疫反应、物质转移和新陈代谢。酶活性的异常反应还可用来监测包括艾滋病毒和癌症在内的多种疾病。除了体内作用,酶也广泛应用于药物研究、医学、农业化学产品、生物燃料产品、环境监测、食品工业及生命科学的研究。
酶作为一种高效的多功能的生物催化剂,与其他非生物催化剂相似,都是通过降低化学反应的活化能来加快反应速率,大多数的酶可将反应速率提高上百万倍。而作为催化剂的酶,其本身在反应过程中不被消耗,也不影响反应化学平衡,是一种非常理想的催化剂,由此而产生了一门新兴的应用技术——酶工程。然而,自然界里的酶,即天然酶,往往难以提纯,生产成本又非常高,具有很大的技术应用难度,于是寻求人工合成酶催化剂就成为了热门的研究课题。大多数关于生物催化剂的相关研究,都主要集中在使用纳米材料改良其本身的稳定性和活性上,而很少关注到将酶的催化性能和其他特殊性能集于一体的酶-纳米复合系统的研究。于是,厦门大学生物仿生与软物质研究院刘向阳教授课题组在2016年4月《Trends in Biotechnology》第34卷上发表了题为“Using Inorganic Nanomaterials to Endow Biocatalytic Systems with Unique Features” (Trends Biotechnol 34(4), 303-315 (2016).)的重要综述性论文,系统地总结了与纳米无机材料进行复合后所形成的人工酶催化系统,及其具有的新颖的特殊性能,为酶催化系统与纳米材料进行复合的相关研究,提供了一些新的研究思路和指导作用。
与纳米材料进行复合的人工酶复合材料,可以将酶自身的特异性识别功能和生物催化特性,与纳米材料引人注目的电学、光学、磁学和催化性能等特点相结合,形成一些酶本身不具备的附加的功能,如纳米粒子介导的电子转移,酶的传递,酶活性的远程激活和(或)失活,和制备得到的具有互补功能的催化实体等,从而可以将其用在具有特殊性能要求的应用上面,如生物传感器、生物燃料电池、蛋白质疗法等,使人工酶复合材料的应用前景更加广阔。常用的纳米材料有金属纳米粒子、碳族纳米粒子、氧化物、硫化物、氟化物,等等。文中强调了多功能的混合酶催化剂的设计和发展,并讨论了这个具有很高活力的领域所面临的挑战及其未来的发展方向。而与其相关的纳米技术、生物技术以及仿生技术的突破,将引发新颖的、多功能化的复合人工酶材料进行更广泛应用研究的新浪潮。
《Trends in Biotechnology》是生物工程领域的顶级期刊,具有较高的影响因子(IF=12.065, 2015-2016)。论文的通讯作者为厦门大学生物仿生及软物质研究院林友辉副教授以及院长刘向阳教授。
 
论文链接:http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0167779915002759。
 
From Inorganic to Organic —— Using Nanomaterials to Artificial Enzyme-catalytic Systems with Unique Features
Youhui Lin*, Zhengwei Chen, and Xiang Yang Liu*
 
Trends in Biotechnology , 2016,34(4), 303-315,
DOI: 10.1016/j.tibtech.2015.12.015
 
Enzymes and artificial enzyme-catalytic systems can be endowed with new and attractive features by using nanoscale inorganic materials. The rapid growth in nanotechnology and biotechnology offers a wealth of opportunities for the combination of natural enzymes with different kinds of nanomaterial. Nanomaterial-incorporated enzymes can integrate the specific recognition and biocatalytic properties of enzymes with the attractive electronic, optical, magnetic, and catalytic properties of nanomaterials. These composite materials have some extra features that are not possessed by the enzymes themselves, such as electron transfer mediated by nanoparticles, enzyme delivery, remote activation and/or deactivation of enzymatic activity, and fabrication of catalytic entities with complementary functions. Prof. Xiang Yang Liu and coauthors highlight the design and development of multifunctional hybrid catalysts and discuss the challenges and future directions in this highly active field. The breakthroughs in nanotechnology, biotechnology, and bionic technology will lead to a new wave of novel and multifunctional hybrid structures with broad applicability.

                                                                                                                                                                                                            刘倩、姚佩剑(撰稿)