Einführung in Nanozyme

Natürliche Enzyme spielen eine zentrale Rolle bei biologischen Reaktionen in lebenden Systemen. Allerdings haben einige inhärente Nachteile – wie leichte Denaturierung, aufwendige Herstellung, hohe Kosten und eingeschränkte Wiederverwendbarkeit – ihre praktische Anwendung limitiert. Zur Adressierung dieser Herausforderungen wurden erhebliche Forschungsanstrengungen in die Entwicklung von Alternativen zu natürlichen Enzymen investiert, den sogenannten „künstlichen Enzymen“. Als aufstrebendes Forschungsfeld innerhalb der künstlichen Enzyme haben Nanozyme – katalytische Nanomaterialien mit enzymähnlichen Eigenschaften – große Aufmerksamkeit in der wissenschaftlichen Gemeinschaft erlangt.

Historie der Nanozym-Forschung

Natürliche Enzyme sind allgegenwärtige Biokatalysatoren und übernehmen Schlüsselrollen in nahezu allen biologischen Reaktionen lebender Systeme. Da sie Reaktionen unter milden Bedingungen mit bemerkenswerter Effizienz und außergewöhnlicher Spezifität katalysieren, wurden natürliche Enzyme umfassend für vielfältige Anwendungen außerhalb lebender Systeme untersucht. Andererseits sind natürliche Enzyme Proteine oder Ribonukleinsäuren und weisen zwangsläufig mehrere intrinsische Nachteile auf, darunter leichte Denaturierung, aufwendige Herstellung, hohe Kosten, erschwerte Wiederverwertung usw. Diese Nachteile haben wiederum ihre praktische Anwendbarkeit begrenzt.

Klassifizierung von Nanozymen

Seit der Beschreibung von Peroxidase-Nanozymen sind zunehmend weitere Nanozyme berichtet worden. Diese Nanozyme lassen sich in drei Kategorien einteilen:

(1) Fe-basierte Nanozyme. Die ersten Studien fokussierten auf die peroxidaseähnliche katalytische Aktivität ferromagnetischer Nanomaterialien und untersuchten den Einfluss von Größe, Morphologie und Oberflächenmodifikation von Fe₃O₄- und Fe₂O₃-Nanomaterialien auf deren katalytische Aktivität. In der Folge wurde festgestellt, dass auch Oxide aus Fe in Kombination mit anderen Nanomaterialien peroxidaseähnliche katalytische Aktivität besitzen, 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 zahlreiche weitere metallbasierte Nanozyme identifiziert. Beispiele sind Cer(IV)-oxid-Nanopartikel, Mangan(IV)-oxid-Nanopartikel, Kupferoxid-Nanopartikel und Cobalttetroxid-Nanopartikel, die allesamt peroxidasekatalytische Aktivität aufweisen. Auch Kupfersulfid-Nanopartikel und Cadmiumsulfid-Nanopartikel zeigen vergleichbare katalytische Aktivität.

(3) Nichtmetallbasierte Nanozyme. Viele nichtmetallische Materialien besitzen ebenfalls peroxidaseähnliche Aktivität, insbesondere kohlenstoffbasierte Nanomaterialien wie Kohlenstoffnanoröhren, Graphenoxid und Kohlenstoff-Nanodots. Darüber hinaus weisen auch poröse Polymernanomaterialien enzymmimetische Aktivität auf. Die Entdeckung dieser neuen Nanozyme ist von großer Bedeutung, da sie weiter belegt, dass zahlreiche Nanomaterialien potenziell peroxidasekatalytische Aktivität besitzen, und darauf aufbauend deren Anwendungsspektrum erweitert werden kann.

Eigenschaften von Nanozymen

Als neuer, vielversprechender Typ künstlicher Enzyme haben Nanozyme insbesondere in den letzten Jahren erhebliche Aufmerksamkeit auf sich gezogen. Seit den wegweisenden Arbeiten zu DNase-Mimetika auf Basis von Fullerenderivaten in den frühen 1990er-Jahren ist im Nanozym-Feld ein außergewöhnliches Wachstum zu beobachten, dokumentiert durch eine exponentiell steigende Zahl an Publikationen. Das zunehmende Interesse an Nanozymen ist auf ihre besonderen Eigenschaften gegenüber natürlichen Enzymen und sogar gegenüber konventionellen künstlichen Enzymen zurückzuführen. Nanozyme sind in mehrfacher Hinsicht einzigartig, etwa durch ihre größen- (form-, struktur-, zusammensetzungs-)abhängig einstellbaren katalytischen Aktivitäten, ihre große Oberfläche für Modifikation und Biokonjugation, multiple Funktionen über die Katalyse hinaus, intelligente Reaktion auf externe Stimuli usw.

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

Anwendungen von Nanozymen

Bis heute wurden zahlreiche Nanomaterialien untersucht, um unterschiedliche natürliche Enzyme zu imitieren; daraus haben sich bereits viele interessante Anwendungen ergeben.

Das Aufkommen von Nanozymen eröffnet neue Ansätze für die Tumordiagnostik. So koppelten Forschende beispielsweise Antikörper an die Oberfläche magnetischer Nanopartikel, um Nanoproben sowohl zur Tumorerkennung als auch zur chromogenen Tumordarstellung zu erzeugen. Die Ergebnisse sind vergleichbar mit der traditionellen immunhistochemischen Methode mit HRP-enzymmarkierten Antikörpern und weisen potenzielle Anwendungsperspektiven auf.

Im Bereich der Tumortherapie ist es bemerkenswert, dass Eisenoxid-Nanopartikel Tumorzellen in Gegenwart von Wasserstoffperoxid direkt über ihre peroxidaseähnliche Enzymaktivität abtöten können. Zudem wurde festgestellt, dass bei Kontakt ferromagnetischer Nanopartikel mit lebenden Zellen – etwa als Wirkstoffträger oder Kontrastmittel – die Anwesenheit von Wasserstoffperoxid eine katalytische Reaktion zur Bildung freier Radikale auslösen kann; selbst Spuren magnetischer Nanopartikel können 80 % der HeLa-Zellen abtöten. Einerseits liefert dieses Phänomen neue Impulse für die Tumorbehandlung. Andererseits weist es darauf hin, dass bei einer in vivo-Anwendung magnetischer Nanopartikel die Auswirkungen ihrer katalytischen Aktivität, d. h. die Biosicherheit, sorgfältig bewertet werden müssen.

Bei der Bestimmung von Blutzucker und Harnsäure ist die Kolorimetrie eine Routine-Methode zur Messung der Glukosekonzentration; das Prinzip beruht auf der Farbreaktion, die durch zwei Enzymsysteme – Meerrettichperoxidase und Glukoseoxidase – erzeugt wird. Da Ferritetroxid-Nanozyme die katalytische Funktion einer Peroxidase besitzen, können sie in der kolorimetrischen Methode nicht nur die Meerrettichperoxidase ersetzen, sondern auch die Glukoseoxidase direkt auf der Nanopartikeloberfläche immobilisieren. Während die Glukoseoxidase Glukose unter Bildung von Wasserstoffperoxid katalysiert, kann das Nanozym unmittelbar seine peroxidasekatalytische Aktivität entfalten und anschließend mit den Substraten TMB oder ABTS eine Farbreaktion erzeugen. Diese Methode ist nicht nur einfach und praktikabel, sondern ermöglicht auch eine schnellere Bestimmung des Glukosegehalts.

Die antibakterielle Aktivität von Nanozymen wurde erst kürzlich entdeckt. Wasserstoffperoxid ist ein häufig eingesetztes keimtötendes Desinfektionsmittel, da es unter Zersetzung freie Radikale bilden kann, die aktive Bestandteile von Bakterien – wie Zellmembran, Proteine und Nukleinsäuren – schädigen. Allerdings ist die Effizienz der Radikalbildung gering; die Zugabe von Katalysatoren beschleunigt die Bildung freier Radikale. Nanomaterialien mit peroxidaseähnlicher Enzymaktivität können als solche Katalysatoren eingesetzt werden, um die Effizienz der Radikalbildung aus Wasserstoffperoxid zu erhöhen und die Wirksamkeit von Sterilisation und Desinfektion zu verbessern.

Ein wesentlicher Bestandteil des Umweltmonitorings ist die Überwachung des Peroxidgehalts. Nanozyme können hierfür als Alternative zu natürlichen Enzymen eingesetzt werden. So werden stickstoff- und schwefelhaltige Verbindungen im Regenwasser durch Wasserstoffperoxid oxidiert, wodurch die Acidität zunimmt und saurer Regen entsteht. Unter Nutzung der katalytischen Aktivität von Peroxidase-Nanozymen können Wissenschaftler den Wasserstoffperoxidgehalt im Regenwasser schnell bestimmen und damit ein Monitoring von saurem Regen realisieren.

Die katalytische Funktion von Nanozymen kann auch in der Abwasserbehandlung genutzt werden. Phenol zählt zu den schädlichsten karzinogenen Substanzen im Abwasser; die Entfernung von Phenol ist daher ein wichtiger Bestandteil der Abwasseraufbereitung. Forschende fanden, dass Peroxidase-Nanozyme Wasserstoffperoxid katalysieren und dabei große Mengen freier Radikale erzeugen können, die Phenol im Abwasser zu Kohlendioxid, Wasser und niedermolekularen organischen Säuren abbauen. Im Vergleich zu den Einschränkungen natürlicher Enzyme – wie strenge Reaktionsbedingungen sowie leichte Denaturierung und Inaktivierung – zeichnen sich Nanozyme durch gute Stabilität, geringe Kosten, Wiederverwendbarkeit, Umweltverträglichkeit und Unbedenklichkeit aus und können eine Vielzahl von Schadstoffen abbauen. Daher besitzen Nanozyme einen hohen Anwendungswert in der Abwasserbehandlung.

Referenz

1. Wang, Xiaoyu, Guo, Wenjing, Hu, Yihui, et al. Nanozymes: Next Wave of Artificial Enzymes [J]. SpringerBriefs in Molecular Science. 10.1007/978-3-662-53068-9.