纳米酶的生长态势与优先领域分析

纳米酶作为中国科学家的原创科研结果之一, 是多学科交织融合的产物。中国科学院生物物理研究所阎锡蕴研究员和中国科学院科技战略咨询研究院杜鹏研究员总结了纳米酶的生长现状, 并基于文献计量学的视角, 重点关注自2007年以来纳米酶领域的论文揭晓数量和被引用情况、研究机构和国家/地域情况、研究主题及其演变纪律、国际生长态势比力分析等方面, 系统梳理了纳米酶的生长历程, 出现了纳米酶可视化的知识图谱; 并联合专家研判, 展望了纳米酶领域未来的生长偏向。相关文章近期揭晓于《中国科学：化学》。

“纳米”(nanometer)是长度单元, 缩写即nm, 1nm为10−9m。在原子物理的领域还常使用“埃”(Å)作为怀抱单元, 1nm=10Å。由此可以看出纳米是一个很是小的尺寸。如今, “纳米”实际上代表了人们对客观世界的一种新认识, 许多物质在纳米尺度出现不行预见的新特性。1990年7月召开的第一届国际纳米科技集会, 标志着纳米科技领域的形成。自此, 纳米科技引起了国际规模的广泛关注, 包罗中国在内的世界各科技强国均制定了纳米科技生长计划, 瞄准基础研究、应用研究和战略性研究, 逐步建设研究基地, 注重人才教育等。

科学家越来越意识到物质科学的生长一定涉及尺度问题, 纵观纳米科技的生长历程, 可以预期纳米科技未来对物质科学的各个领域将发生重大的影响。这主要体现在两个方面：(1) 纳米科技将成为诸多高新科学技术生长的共性技术, 它所释放的“纳米+”效应将动员整个科学技术体系的进步; (2) 纳米科技是学科交织融合的范例, 传统学科与纳米科技的深度融会, 或将启迪新的思想、发现新的纪律、建设新的理论; 同时, 由于“纳米+”效应, 纳米科技将作为使能技术进一步辐射动员诸多基础学科的生长。

随着人类基因组计划(Human Genome Project, HGP)和人类DNA元件百科全书计划(Encyclopedia of DNA Elements, ENCODE)的完成, 学科之间的相互融会日益精密, 人们进入了后基因组时代。其中, “纳米酶”的发现即是后基因组时代多学科交织融合的典型代表。自然界天然酶是一类具有催化功效的生物分子, 以卵白质为主, 其催化特点是效率高、底物专一; 然而, 大多数天然酶含量很低, 且遇到热、酸、碱等非生理条件, 容易发生变性而失去功效。2007年, 我国科学家发现无机纳米质料Fe3O4在纳米尺度出现出类似天然酶——辣根过氧化物酶(horseradish peroxidase, HRP)的生物活性, 其催化效率亦与天然酶相似。据此, 我国科学家首次提出了“纳米酶”的观点。

纳米酶是一类既有纳米质料理化特性, 又蕴含酶学催化功效的新一代人工模拟酶。与传统的模拟酶相比, 纳米酶的催化效率更高并可作为天然酶的替代品用于人类康健, 同时还具备对热、酸和碱的稳定性, 可规模化制备, 价钱较低的特点。纳米酶的问世, 改变了以往人们认为无机纳米质料是一种生物惰性物质的传统看法, 展现了纳米质料内在的生物效应及新特性。因此, 纳米酶引起了海内外科学家们的广泛兴趣与高度重视, 其研究和应用已经拓展到了生物、医学、农业、物理、化学、质料、情况治理、国防宁静等多个偏向。鉴于纳米酶领域科学研究的重要价值及其潜在应用前景, 本文简要总结了纳米酶的研究现状, 并使用文献计量学的研究方法, 系统梳理了近年来纳米酶领域的基本研究情况, 以出现出可视化的生长态势图谱; 同时, 联合专家研判, 展望了纳米酶领域未来的优先生长偏向。

纳米酶领域发文量随时间的变化

本文以“共识形成”为焦点的前瞻性研讨方式, 逐步凝聚专家共识, 联合文献计量学的研究效果, 判断纳米酶领域未来的优先生长偏向包罗：

(1) 纳米酶新活性及其新质料。当前, 对于纳米酶催化活性的研究主要集中在氧化还原酶和水解酶这两大类型, 而对于转移酶、异构酶、裂合酶和合成酶类的活性研究及其新质料的发现仍然很少。为了系统深入地明白纳米酶的催化机理, 挖掘新型的纳米酶质料并研究其催化特性十分须要。

(2) 纳米酶的催化行为、催化动力学和多酶协同机制。纳米酶的催化机制具有多样性, 催化机理因纳米质料的差别而异, 因此需要针对多种类型的纳米酶建设完整的催化理论体系。未来, 这方面事情的研究思路与偏向包罗理论盘算和实验验证相联合, 借鉴能源化学领域的限域效应理论, 生长原位、实时、动态的表征技术等。

(3)纳米酶的优化设计、可控制备与尺度化。为淘汰纳米酶研发中的试错次数、节约研发成本、提升研发效率, 未来关于纳米酶的优化设计、可控制备与尺度化仍然是本事域的优先偏向, 详细事情包罗多尺度盘算和模拟的方法、模块化与质量可控制备、纳米酶结构形貌的准确控制、多功效复合纳米酶的制备与尺度化等。

(4) 纳米酶在生物体内的免疫相容性、代谢纪律与量化研究。深入相识纳米质料在生物体内的运气, 能够资助科学家对纳米颗粒的体内行为举行监测, 促进对纳米体系的优化设计, 拓展纳米质料与技术在疾病诊断和治疗领域的应用广度。而且, 由于纳米质料潜在的情况、康健和宁静问题, 纳米酶作为一类具有酶活性的纳米质料也面临着同样的挑战。未来, 纳米质料在生物体内的共性代谢纪律与动态量化研究, 纳米酶的生物宁静性评价, 纳米酶的生理效应及其与细胞的交互作用, 纳米酶与生物体免疫系统的作用纪律, 纳米酶对细胞能量调控和分配的影响等研究事情, 可以资助我们掌控纳米酶在人体内代谢的主动权。

(5) 纳米酶的应用研究。纳米酶催化的应用早期聚焦于体外检测和情况治理, 近年来逐渐向体内诊断和治疗领域拓展, 因此纳米酶具有辽阔的生物医学和情况康健应用价值。为贯彻实施康健中国战略, 未来该领域应加速生长: 生化检测和生物传感, 癌症与重大疾病的诊断和治疗, 抗菌、抗氧化和消除生物膜, 情况监测与治理, 纳米酶与基因编辑, 纳米机械人等。