不尽人意的生物酶应用

我们在初中的时候就学到了酶，课本上说酶是“由活细胞产生的具有催化作用的蛋白质或RNA”，那你知道酶是怎么被发现，又是经过怎样的曲折才最终确定了这个定义的吗？

(资料图)

酒是中国发明的特色饮品。传说夏朝的一个粮官杜康为了保存过剩的粮食，把粮食倒进了干燥的树干里。过了一段时间再来看，树洞里多了一些清香扑鼻的液体，杜康把这些液体分给村民们品尝，非常受大家的欢迎。于是，酒在民间逐渐普及开来，杜康也被人们尊称为“酒神”。

从酿酒的方法开始，人们逐渐发现了制醋、制酱、制奶酪等的方法，这些方法中最重要的原料就是“曲”，这些“曲”就是我们现在酿造工业中常用的各种真菌，许多位科学家通过观察、分离和验证，才确认了这些“曲”中起作用的是真菌产生的蛋白质酶，发现蛋白酶后又过了50年，人们才发现起作用的不全都是蛋白质酶，还有一些RNA酶也在发挥作用，至此人们才建立了我们现在所学的生物酶的概念。

小小的生物酶被用在生活中的方方面面，例如，果胶酶和纤维素酶可以软化衣物纤维，用在纺织行业；脂肪酶可以用于污水治理；在医药方面，辣根过氧化物酶可以使被灭杀的抗原快速变色，更有利于检测抗原的活动情况，诊断疾病。

遗憾的是，我们知道蛋白质在高温高压的环境下会失去作用，而且生物酶多数来自于动植物体内，培养时间长，耗费人力物力多，这就大大限制了生物酶的应用。

纳米酶的发现

为了扩大生物酶的应用范围，科学家们也想了很多方法，改变生物酶结构、合成人工模拟酶等，但这些方法基本都是事倍功半，不尽如人意，直到一个偶然的发现改变了这种状况。

2007年，中科院阎锡蕴院士带领的研究团队在研究如何用纳米材料进行抗原的检测时发现了一个“诡异”的现象：有磁力的四氧化三铁(俗称磁铁)制成纳米颗粒后，在人体组织中可以吸引带有电荷的抗原分子，并且可以使抗原变色。而使抗原变色原本需要加入辣根过氧化物酶才会发生，单独的磁铁纳米颗粒竟然也能做到！

磁铁是无机物，怎么会具有酶的催化活性？开始，研究人员认为这可能是反应体系中某种成分被污染所致，于是轮番更换各种试剂，不断重复实验，但结果依然如此。

这让从事这项实验的博士研究生高利增很苦恼，觉得自己的课题走进了死胡同。而阎锡蕴并没有轻易放弃，她又找来两名学生，和高利增一起背靠背重复该实验：结果仍然一样！这时，在排除了各种可能性之后，只剩下唯一的解释：纳米级的磁铁颗粒可能具有与辣根过氧化物酶同样的催化活性。

阎锡蕴带着这个大胆的假设去请教化学家和材料学家，起初大家都不敢相信，并对此提出很多质疑。为此，她和她的学生们从酶学角度,系统对比研究了磁铁纳米颗粒与天然的辣根过氧化物酶，最终证明了它们具有同样的催化效率和催化机理。这项成果在《自然—纳米技术》杂志上发表之后，立刻引起了材料、化学和生物等多领域的研究者高度关注。英国皇家化学会刊发表综述，认为这是酶学史上一个里程碑式的事件，纳米酶不仅克服了长期以来天然酶容易失活，多数模拟酶催化效率不高的问题，还为模拟酶研究提供了新思想和新材料。

纳米酶带来新曙光

顾名思义，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。自从四氧化三铁（磁铁）纳米酶被发现以来，人们陆续发现了许多金属氧化物纳米酶和非金属纳米酶，如二氧化钛纳米颗粒、氧化铜纳米颗粒、碳纳米点、氧化石墨烯（石墨烯是一种由碳原子组成的碳纳米材料。）等都具有催化活性。纳米酶之所以被认为具有类酶催化效应，不仅仅是因为它有着高效的催化活性，可以像生物酶一样催化相同的化学反应，更是因为它可以像生物酶一样在常温常压条件下高效地催化化学反应。

与生物酶相比，纳米酶作为一种无机颗粒，在高温高压和酸碱条件下都不会变性，在工厂里还可以批量生产，所以它的催化特性被发现以来，在化工、农业、医学、环境等多个领域都可看到它的身影：四氧化三铁纳米酶制成的试纸条,滴上一滴血液就可以看出病人身上的病毒有多少。二氧化钛纳米酶喷洒到植物的叶片上，可以提高植物进行光合作用的速度，还有消毒杀菌能力，大大降低了植物的发病率。

纳米酶的更新换代

纳米酶被发现以来，引起了多个领域科学家的兴趣和高度重视，越来越多的科学家开始研究和应用纳米酶。除了寻找更多种类的纳米酶以外，改造纳米酶，拓宽它的作用范围也让科学家们乐此不疲。

例如用DNA和磁氧化铁结合的纳米酶，可以检测环境中的汞离子，如果环境中有汞离子，DNA结合了汞离子就会离开纳米酶，纳米酶就会发生作用，使底物（底物就是能和特异的酶结合的物质）变色，这样就可以检测到汞离子的存在。

将能特异识别肿瘤细胞的铁蛋白(含铁蛋白质,恶性肿瘤标志物之一)和氧化铁纳米酶结合，既可以定位肿瘤细胞，还能使它显色现形。

天然的纳米酶选择性比较差，比如具有分解过氧化氢作用的纳米酶，在没有过氧化氢的情况下它们会产生氧化作用，使底物变色，这使我们无法精确检测过氧化氢。科学家将氮和硼一起掺杂到石墨烯中，得到了只会分解过氧化氢而没有氧化作用的新型纳米酶，这种有选择性的纳米酶提高了检测的准确性，可以用于阿尔茨海默病的早期诊断。

纳米酶产业方兴未艾，它作为生物酶的“双生兄弟”，未来极有可能取代现有的生物酶，大展身手，让我们拭目以待。