Einführung in Nanozyme

Natürliche Enzyme spielen eine entscheidende Rolle bei biologischen Reaktionen in lebenden Systemen. Allerdings schränken einige intrinsische Nachteile, wie die leichte Denaturierung, aufwändige Herstellung, hohe Kosten und die Schwierigkeit des Recyclings, ihre praktische Anwendung ein. Um diese Probleme zu lösen, wurden intensive Anstrengungen unternommen, um Alternativen zu natürlichen Enzymen zu entwickeln, die als „künstliche Enzyme“ bezeichnet werden. Als ein aufstrebendes Forschungsgebiet der künstlichen Enzyme haben Nanozyme, katalytische Nanomaterialien mit enzymähnlichen Eigenschaften, das enorme Interesse von Forschern geweckt.

Geschichte der Nanozym-Forschung

Natürliche Enzyme sind allgegenwärtige Biokatalysatoren, die eine zentrale Rolle bei nahezu allen biologischen Reaktionen in lebenden Systemen spielen. Da sie die Reaktionen mit bemerkenswerter Effizienz und außergewöhnlicher Spezifität unter milden Bedingungen katalysieren, wurden natürliche Enzyme für verschiedene Anwendungen außerhalb lebender Systeme umfassend erforscht. Andererseits sind natürliche Enzyme Proteine oder Ribonukleinsäuren, die zwangsläufig mehrere intrinsische Nachteile aufweisen, wie z. B. leichte Denaturierung, aufwändige Herstellung, hohe Kosten, schwieriges Recycling usw. Diese Nachteile haben wiederum ihre praktische Anwendung eingeschränkt.

Klassifizierung der Nanozyme

Seit die Peroxidase-Nanozyme entdeckt wurden, sind immer mehr Nanozyme nacheinander aufgetaucht. Diese Nanozyme können in drei Kategorien unterteilt werden:

(1) Fe-basierte Nanozyme. Die ersten Studien konzentrierten sich auf die Peroxidase-katalytische Aktivität ferromagnetischer Nanomaterialien und untersuchten die Auswirkungen von Größe, Morphologie und Oberflächenmodifikation von Fe₃O₄- und Fe₂O₃-Nanomaterialien auf deren katalytische Aktivität. Anschließend wurde festgestellt, dass die von Fe und anderen Nanomaterialien gebildeten Oxide ebenfalls peroxidaseähnliche katalytische Aktivität aufweisen, wie z. B. Fe-Bi-Oxid-Nanopartikel, Fe-Co-Oxid-Nanopartikel und Fe-Mn-Oxid-Nanopartikel.

(2) Nicht-Fe-metallbasierte Nanozyme. Neben Fe-basierten Nanozymen wurden auch viele andere metallbasierte Nanozyme entdeckt. Zum Beispiel Ceriumdioxid-Nanopartikel, Mangandioxid-Nanopartikel, Kupferoxid-Nanopartikel und Cobalttetroxid-Nanopartikel, die alle Peroxidase-Aktivität besitzen. Kupfersulfid-Nanopartikel und Cadmiumsulfid-Nanopartikel weisen ebenfalls ähnliche katalytische Aktivität auf.

(3) Nicht-metallbasierte Nanozyme. Viele nichtmetallische Materialien besitzen ebenfalls Peroxidase-Aktivität, insbesondere kohlenstoffbasierte Nanomaterialien wie Kohlenstoffnanoröhren, Graphenoxid und Kohlenstoff-Nanodots. Darüber hinaus besitzen poröse Polymer-Nanomaterialien ebenfalls Enzymmimetika-Aktivität. Die Entdeckung dieser neuen Nanozyme ist von großer Bedeutung, da sie weiter zeigt, dass viele Nanomaterialien potenzielle peroxidasekatalytische Aktivität besitzen und auf dieser Basis ihr Anwendungsspektrum erweitert werden kann.

Eigenschaften von Nanozymen

Als eine neue Art vielversprechender künstlicher Enzyme haben Nanozyme insbesondere in den letzten Jahren große Aufmerksamkeit erregt. Seit der bahnbrechenden Arbeit zu fullerenderivatbasierten DNase-Mimetika in den frühen 1990er Jahren wurde im Bereich der Nanozyme ein unglaubliches Wachstum durch die exponentielle Anzahl an Veröffentlichungen verzeichnet. Das wachsende Interesse an Nanozymen ist auf ihre einzigartigen Eigenschaften im Vergleich zu natürlichen Enzymen und sogar konventionellen künstlichen Enzymen zurückzuführen. Nanozyme sind in mehreren Aspekten einzigartig, wie z. B. ihre größen- (form-, struktur-, zusammensetzungs-)abhängigen katalytischen Aktivitäten, große Oberfläche für Modifikation und Biokonjugation, mehrere Funktionen neben der Katalyse, intelligente Reaktion auf äußere Reize, usw.

Tabelle 1. Vergleich der Eigenschaften zwischen Nanozymen und natürlichen Enzymen.

Anwendungen von Nanozymen

Bis heute wurden zahlreiche Nanomaterialien untersucht, um verschiedene natürliche Enzyme zu imitieren, die bereits viele interessante Anwendungen gefunden haben.

Das Aufkommen von Nanozymen bietet eine neue Idee für die Tumordiagnose. Beispielsweise koppelten Forscher Antikörper an die Oberfläche magnetischer Nanopartikel, um Nanoproben sowohl für die Tumorerkennung als auch für die chromogene Tumordiagnostik zu erhalten. Die Ergebnisse ähneln der traditionellen HRP-enzymmarkierten Antikörper-Immunhistochemie-Methode, was ein vielversprechendes Anwendungspotenzial hat.

Im Bereich der Tumortherapie ist es interessant zu beobachten, dass Eisenoxid-Nanopartikel Tumorzellen direkt durch ihre Peroxidase-Mimetik in Gegenwart von Wasserstoffperoxid abtöten können. Es wurde auch festgestellt, dass, wenn ferromagnetische Nanopartikel als Arzneimittelträger oder Kontrastmittel mit lebenden Zellen in Kontakt kommen, das Vorhandensein von Wasserstoffperoxid eine katalytische Reaktion auslöst, die freie Radikale erzeugt, und selbst Spuren von magnetischen Nanopartikeln können 80 % der HeLa-Zellen abtöten. Einerseits bietet dieses Phänomen eine neue Idee für die Tumorbehandlung. Andererseits weist es auch darauf hin, dass bei der Verwendung von magnetischen Nanopartikeln in vivo die Wirkung ihrer katalytischen Aktivität, also die Biosicherheit, sorgfältig berücksichtigt werden muss.

Bei der Bestimmung von Blutzucker und Harnsäure ist die Kolorimetrie eine gängige Methode zur Bestimmung der Glukosekonzentration, deren Prinzip auf der Farbreaktion basiert, die durch zwei Enzymsysteme – Meerrettichperoxidase und Glukoseoxidase – erzeugt wird. Da Ferrit-Tetroxid-Nanozym die katalytische Funktion der Peroxidase besitzt, kann es nicht nur die Meerrettichperoxidase in der kolorimetrischen Methode ersetzen, sondern auch die Glukoseoxidase direkt an der Oberfläche der Nanopartikel immobilisieren. Während die Glukoseoxidase Glukose zu Wasserstoffperoxid katalysiert, kann das Nanozym direkt seine Peroxidase-Aktivität ausüben und dann eine Farbreaktion mit dem Substrat TMB oder ABTS hervorrufen. Diese Methode ist nicht nur einfach und bequem, sondern ermöglicht auch eine schnellere Bestimmung des Glukosegehalts.

Die antibakterielle Aktivität von Nanozymen wurde kürzlich entdeckt. Wir wissen, dass Wasserstoffperoxid ein häufig verwendetes keimtötendes Desinfektionsmittel ist, da Wasserstoffperoxid zu freien Radikalen abgebaut werden kann, die die aktiven Bestandteile von Bakterien wie Zellmembran, Protein, Nukleinsäure usw. zerstören. Allerdings ist die Effizienz der Bildung freier Radikale gering, und die Zugabe von Katalysatoren beschleunigt die Bildung freier Radikale. Nanomaterialien mit Peroxidase-Mimetik-Aktivität können als solche Katalysatoren verwendet werden, um die Effizienz der Wasserstoffperoxid-induzierten Bildung freier Radikale zu verbessern und die Wirksamkeit der Sterilisation und Desinfektion zu erhöhen.

Einer der wichtigen Inhalte der Umweltüberwachung ist die Überwachung des Peroxidgehalts. Nanozyme können zur Umweltüberwachung anstelle natürlicher Enzyme eingesetzt werden. Beispielsweise werden stickstoff- und schwefelhaltige Verbindungen im Regenwasser durch Wasserstoffperoxid oxidiert, wodurch deren Säuregehalt steigt und saurer Regen entsteht. Mit Hilfe der katalytischen Aktivität von Peroxidase-Nanozymen können Wissenschaftler den Gehalt an Wasserstoffperoxid im Regenwasser schnell bestimmen und so die Überwachung von saurem Regen ermöglichen.

Die katalytische Funktion von Nanozymen kann auch in der Abwasserbehandlung eingesetzt werden. Wir wissen, dass Phenol einer der schädlichsten Karzinogene im Abwasser ist, und wie man Phenol aus Abwasser entfernt, ist ein wichtiger Teil der Abwasserbehandlung. Die Forscher fanden heraus, dass Peroxidase-Nanozyme Wasserstoffperoxid katalysieren können, um eine große Menge freier Radikale zu erzeugen, die Phenol im Abwasser zu Kohlendioxid, Wasser und kleinen organischen Säuren abbauen können. Im Vergleich zu den Einschränkungen natürlicher Enzyme, wie strenge Reaktionsbedingungen und leichte Denaturierung und Inaktivierung, weisen Nanozyme eine gute Stabilität, niedrige Kosten, Wiederverwendbarkeit, Umweltfreundlichkeit und Unschädlichkeit auf und können eine Vielzahl von Schadstoffen abbauen. Daher haben Nanozyme einen großen Anwendungswert in der Abwasserbehandlung.

Referenz

1. Wang, Xiaoyu, Guo, Wenjing, Hu, Yihui, et al. Nanozyme: Die nächste Welle künstlicher Enzyme [J]. SpringerBriefs in Molecular Science. 10.1007/978-3-662-53068-9.