Einführung von Nanozymen

Natürliche Enzyme spielen eine entscheidende Rolle in biologischen Reaktionen in lebenden Systemen. Einige intrinsische Nachteile, wie die leichte Denaturierung, aufwendige Herstellung, hohe Kosten und Schwierigkeiten bei der Wiederverwertung, haben jedoch ihre praktischen Anwendungen eingeschränkt. Um diese Probleme zu lösen, wurden intensive Anstrengungen unternommen, um Alternativen zu natürlichen Enzymen zu entwickeln, die als "künstliche Enzyme" bezeichnet werden. Als ein aufkommendes Forschungsgebiet der künstlichen Enzyme haben Nanozyme, die katalytischen Nanomaterialien mit enzymähnlichen Eigenschaften, die enorme Aufmerksamkeit der Forscher auf sich gezogen.

Geschichte der Nanozymenforschung

Natürliche Enzyme sind ubiquitäre Biokatalysatoren, die zentrale Rollen in 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 umfassend für verschiedene Anwendungen über lebende Systeme hinaus erforscht. Andererseits sind natürliche Enzyme Proteine oder Ribonukleinsäuren, die unvermeidlich mehrere intrinsische Nachteile aufweisen, wie die leichte Denaturierung, aufwendige Herstellung, hohe Kosten, Schwierigkeiten bei der Wiederverwertung usw. Diese Nachteile haben wiederum ihre praktischen Anwendungen eingeschränkt.

Klassifikation der Nanozyme

Seit die Peroxidase-Nanozyme berichtet 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 von ferromagnetischen Nanomaterialien und untersuchten die Auswirkungen von Größe, Morphologie und Oberflächenmodifikation von Fe₃O₄ und Fe₂O₃ Nanomaterialien auf ihre katalytische Aktivität. Anschließend wurde festgestellt, dass die von Fe und anderen Nanomaterialien gebildeten Oxide ebenfalls peroxidaseähnliche katalytische Aktivität aufwiesen, wie z.B. Fe-Bi-Oxid-Nanopartikel, Fe-Co-Oxid-Nanopartikel und Fe-Mn-Oxid-Nanopartikel.

(2) Nicht-Fe-Metall-basierte Nanozyme. Neben Fe-basierten Nanozymen wurden auch viele andere metallbasierte Nanozyme gefunden. Zum Beispiel haben Ceriumdioxid-Nanopartikel, Mangandioxid-Nanopartikel, Kupferoxid-Nanopartikel und Kobalt-Tetroxid-Nanopartikel alle peroxidase-katalytische Aktivität. Kupfersulfid-Nanopartikel und Cadmiumsulfid-Nanopartikel haben ebenfalls eine ähnliche katalytische Aktivität.

(3) Nicht-metallbasierte Nanozyme. Viele nichtmetallische Materialien haben ebenfalls peroxidase Aktivität, insbesondere kohlenstoffbasierte Nanomaterialien, wie Kohlenstoffnanoröhren, Graphenoxid und Kohlenstoff-Nanodots. Darüber hinaus haben poröse Polymernanomaterialien ebenfalls enzymnachahmende Aktivität. Die Entdeckung dieser neuen Nanozyme ist von großer Bedeutung, da sie weiter zeigt, dass viele Nanomaterialien potenzielle peroxidase-katalytische Aktivität besitzen und auf dieser Grundlage ihren Anwendungsbereich erweitern können.

Eigenschaften von Nanozymen

Als eine neue Art vielversprechender künstlicher Enzyme haben Nanozyme in den letzten Jahren erhebliche Aufmerksamkeit erregt. Seit der bahnbrechenden Arbeit an fullerenderivaten DNase-Mimiken zu Beginn der 1990er Jahre wurde ein unglaubliches Wachstum im Bereich der Nanozyme durch die exponentielle Anzahl von Veröffentlichungen beobachtet. Das wachsende Interesse an Nanozymen kann auf ihre einzigartigen Eigenschaften im Vergleich zu natürlichen Enzymen und sogar konventionellen künstlichen Enzymen zurückgeführt werden. Nanozyme sind in mehreren Aspekten einzigartig, wie z.B. ihre größen- (form-, struktur-, zusammensetzungs-) einstellbaren katalytischen Aktivitäten, große Oberfläche für Modifikation und Biokonjugation, multiple Funktionen neben der Katalyse, intelligente Reaktion auf externe Stimuli, usw.

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

Anwendungen von Nanozymen

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

Das Auftreten von Nanozymen bietet eine neue Idee für die Tumordiagnose. Zum Beispiel koppeln die Forscher Antikörper an die Oberfläche von magnetischen Nanopartikeln, um Nanoproben für die Tumorerkennung und chromogene Tumoren zu schaffen. Die Ergebnisse sind ähnlich wie die traditionelle HRP-Enzym-gekoppelte Antikörper-Immunhistochemie-Methode, die potenzielle Anwendungsperspektiven hat.

Im Bereich der Tumortherapie ist es interessant festzustellen, dass Eisenoxid-Nanopartikel Tumorzellen direkt durch ihre peroxidaseähnliche Enzymaktivität in Gegenwart von Wasserstoffperoxid abtöten können. Es wurde auch festgestellt, dass, wenn ferromagnetische Nanopartikel mit lebenden Zellen als Arzneiträger oder Kontrastmittel in Kontakt kommen, die Anwesenheit von Wasserstoffperoxid eine katalytische Reaktion auslöst, die freie Radikale produziert, und sogar spuren von magnetischen Nanopartikeln 80 % der HeLa-Zellen abtöten können. Einerseits bietet dieses Phänomen eine neue Idee für die Behandlung von Tumoren. Andererseits deutet es auch darauf hin, dass bei der Verwendung von magnetischen Nanopartikeln in vivo die Auswirkungen ihrer katalytischen Aktivität, d.h. die Biosicherheit, sorgfältig berücksichtigt werden müssen.

Bei der Bestimmung von Blutzucker und Harnsäure ist die kolorimetrische Analyse eine gängige Methode zur Bestimmung der Glukosekonzentration, deren Prinzip durch die Farbreaktion zweier Enzymsysteme - Meerrettichperoxidase und Glukoseoxidase - realisiert wird. Da das Eisen(III)-tetroxid-Nanozym die katalytische Funktion der Peroxidase hat, kann es nicht nur die Meerrettichperoxidase in der kolorimetrischen Methode ersetzen, sondern auch die Glukoseoxidase direkt an die Oberfläche der Nanopartikel immobilisieren. Während die Glukoseoxidase Glukose katalysiert, um Wasserstoffperoxid zu produzieren, kann das Nanozym direkt seine peroxidase-katalytische Aktivität entfalten und dann eine Farbreaktion mit dem Substrat TMB oder ABTS erzeugen. Diese Methode ist nicht nur einfach und bequem, sondern kann auch den Glukosegehalt schneller bestimmen.

Die antibakterielle Aktivität von Nanozymen wurde kürzlich entdeckt. Wir wissen, dass Wasserstoffperoxid ein häufig verwendetes keimtötendes Desinfektionsmittel ist, da Wasserstoffperoxid zerlegt werden kann, um freie Radikale zu erzeugen, die die aktiven Komponenten von Bakterien, wie Zellmembran, Protein, Nukleinsäure usw., zerstören. Die Effizienz der Erzeugung freier Radikale ist jedoch gering, und die Zugabe von Katalysatoren beschleunigt die Produktion freier Radikale. Nanomaterialien mit peroxidaseähnlicher Enzymaktivität können als solche Katalysatoren verwendet werden, um die Effizienz von Wasserstoffperoxid zur Erzeugung 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 Überwachung der Umwelt anstelle von natürlichen Enzymen verwendet werden. Zum Beispiel werden die stickstoffhaltigen und schwefelhaltigen Verbindungen im Regenwasser durch Wasserstoffperoxid oxidiert, wodurch ihre Säure erhöht und saurer Regen entsteht. Mit der katalytischen Aktivität von Peroxidase-Nanozymen können Wissenschaftler den Wasserstoffperoxidgehalt im Regenwasser schnell bestimmen und die Überwachung von saurem Regen realisieren.

Die katalytische Funktion von Nanozymen kann auch in der Abwasserbehandlung eingesetzt werden. Wir wissen, dass Phenol eines 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 Anzahl 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 strengen Reaktionsbedingungen und leichter Denaturierung und Inaktivierung, haben Nanozyme eine gute Stabilität, niedrige Kosten, können recycelt werden, sind umweltfreundlich und harmlos und können eine Vielzahl von Schadstoffen abbauen. Daher haben Nanozyme einen umfangreichen 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.