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*本文首发于“纳米酶Nanozy欧易交易所mes”大众号，2021年10月15日
*编纂：俞纪元
克日，加拿年夜滑铁卢纳米技巧研讨所的刘珏文教学在《ACS Nano》杂志上宣布了题为“Nanozyme Catalytic Turnover and Self-Limited Reactions”的文章。文中，作者基于纳米酶的特征提出了新的纳米酶浓度标定方式，以下降在盘算纳米酶催化转化才能时的偏差。
酶是高效的生物催化剂。始终以来，迷信家都在努力于模拟自然酶的才能跟性子。纳米酶能模仿自然酶欧易交易所的催化才能，而且稳固性更强，本钱更低，但纳米酶无论在构造仍是催化方法上都跟自然酶有很年夜差别，以是在界说纳米酶能否是及格的酶模仿物经常存在争议。年夜少数纳米酶研讨者在盘算纳米酶的催化活性时都将原子浓度或纳米颗粒浓度视为纳米酶的浓度。如许的浓度标定方法发生的偏差会使咱们盘算出的纳米酶催化转化率与现实催化活性过高或许过低，因而急切须要更合乎纳米酶特征的浓度标定方法。
因为年夜局部纳米酶的反映位点都在名义，与自然酶的活性位点位于核心差别，一些学者以为纳米酶可能会由于名义原子的耗费(图1B)或许名义被产品占满（图1C）而得到活性，这并不克不及很好地模仿自然酶。在这篇文章中作者考核了一些罕见的纳米酶能否合乎催化剂的性子：能在催化反映中疾速转化而不丧失或产生转变。
图1.(A)-(C)为三种差别的反映活性位点行动：
(A)活性位点能够轮回应用；
（B）活性位点反欧易交易所应后就丧失了；
（C）活性位点在反映后无奈排挤产品；
（D）三种催化剂耗费底物量的曲线。催化活性高的催化剂(白色)存在较高的转化常数，会敏捷耗费底物，催化活性欠好的催化剂（绿色）转化常数较低，耗费底物速率慢，而非催化剂（蓝色）无奈轮回反映，本身耗费完后无奈再耗费底物了。
作者起首考核了常常用于模仿过氧化物酶(peroxidase，POD)的Fe3O4纳米酶。在两篇研讨Fe3O4纳米酶类POD活性的文章中，对作为参照的辣根过氧化物酶(HRP)的催化转化效力，两篇文章中的成果大抵雷同；但对Fe3O4纳米酶的催化转化效力，两篇文章给出的数据相差惊人，高达8个数目级。在细心比拟后作者发明，#因为两篇文章对Fe3O4浓度的界说方法纷歧样：第一篇文章采取的是传统的摩尔浓度，将一个纳米酶视为一个催化单元；而第二篇则以为每个Fe3O4纳米酶有1.93 x 108个催化位点，应当视为一组催化单元盘算。将这个单元同一后，会得出类似的催化转化效力。
图2. Fe3O4纳米酶催化转化的研讨
那么哪一种盘算方式更公道呢？作者以为这两种方式都略有缺乏。将全部纳米粒子视为一个单元的话，显然是高估了纳米酶的催化活性；第二种的盘算方式看似公道一些，但现实上这些催化位点包含了纳米酶名义的跟外部的全部的催化位点，实在个别不仅有名义的催欧易交易所化位点会参加反映，这就低估了它的催化活性。
作者指出，最准确的方法是把每个纳米酶名义的催化位点盘算出来作为一组催化单元，固然准确的盘算十分艰苦，但经由过程盘算纳米酶的名义积跟名义的相干金属原子数目，能够大抵预算出一个濒临的数值。在这篇文章中，作者依据已有的数据对典范的纳米酶的催化转化才能从新停止了盘算，比方在对Fe3O4纳米酶的催化转化才能盘算时，起首依据Fe3O4纳米酶的直径盘算出名义积，再依据热力学性子盘算此中存在催化活性的一局部Fe原子，最后得出较为濒临实在情形的周转效力，证实Fe3O4纳米酶的催化转化才能固然不是特殊优良但具有催化剂的特点。
作者接上去研讨了金纳米酶模仿葡萄欧易交易所糖氧化酶(Glucose oxidase，GOx)时的催化转化才能。在以往的研讨中，研讨职员发明金纳米酶在重复应用当前活性会下降，他们以为#产品吸附在金纳米酶名义招致的，而金纳米酶自身确实存在比GOx更好的催化活性。作者依照上述剖析Fe3O4纳米酶的方式从新盘算，以为金纳米酶在溶液中的催化活性被这些研讨职员研讨高估了。
图3.金纳米酶的长时光轮回反映
斟酌到金纳米酶在溶液中可能遭到自限性跟情况的影响，作者还停止了单个纳米酶的催化研讨，终极证明金纳米酶在弥补分与底物打仗跟pH合适的前提下能够表示出优良的催化活性，而且能轮回反映，具有催化剂的特点。
之后，作者又研讨了存在多种催化活性的CeO2纳米酶。在类POD活性方面，经由过程试验跟盘算发明，CeO2纳米酶固然有很高的反映活性，但在不应用ABTS润饰的情形下欧易交易所其催化转化才能较差，由于很轻易产生产品在资料名义的吸附；同样地，在类磷酸酶(phosphatase)活性方面，作者发明，CeO2纳米酶会呈现双相能源学，由于磷酸盐是CeO2的强配体，反映开端后会严密吸附到纳米酶名义且难以被去除，招致催化活性敏捷下降。综上，CeO2纳米酶在某些情形下由于自限性，催化转化才能较差，这时它可能不克不及作为催化剂应用。
图4.考核CeO2纳米酶的类过氧化物酶活性
图5. CeO2纳米酶的类磷酸酶活性检测
最后，作者研讨了一类单原子纳米酶(SAzymes)，这类纳米酶模仿自然酶的构造，将存在催化活性的单个金属位点疏散在纳米构造载体中。SAzymes存在平均多孔的构造，名义跟外部的催化位点都能打仗究竟物，以是盘算时须要同时斟酌每个局部的催化位点，盘算成果阐明了这类纳米酶也合乎催化剂的特点。
总结
基于对以上一些纳米酶催化转化才能的研讨，作者得出以下论断：起首，纳米酶应该具有催化剂的基础特点，也就是催化转化的才能，固然年夜局部纳米酶的机理与自然酶不尽雷同，但总的来说能够形象地舆解为为吸附-反映-解吸附的进程；其次，在盘算纳米酶催化转化才能的进程中应该稳重斟酌怎样断定酶的催化活性位点，个别来说应该斟酌纳米酶名义的相干原子，也要留神相似CeO2如许活性位点与空位有关的情形。对一些存在多孔构造的纳米酶，还要斟酌其外部的活性位点，以防止呈现数个数目级的宏大偏差。
作者指出，在将来的纳米酶研讨中，对“哪个局部是真正的催化位点”这个成绩要进步存眷，这须要具体的构造跟描写表征数据以及对纳米酶反映机理的深刻研讨，这也有助于更好地说明纳米酶的催化跟转化感化。
撰稿：张敏萱
审视：刘宛灵
编纂：俞纪元
原文链接：Nanozyme Catalytic Turnover and Self-Limited Reactions | ACS Nano
https://doi.org/10.1021/acsnano.1c07520
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