Coord. Chem. Rev.︱催化机理洞见水解纳米酶设计

摘要：水解酶是一类在催化水解反应中起关键作用的酶，能够有效地分解蛋白质、核酸和多糖等分子。水解酶的催化机制取决于特定的酶类型，通常涉及几个关键步骤：(i) 底物结合。首先，酶与底物分子结合，形成酶-底物复合物。此结合通过氢键、离子键和范德华力等相互作用，通常位于酶的

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*本文首发于“纳米酶 Nanozymes”公众号， 2024年12月19日 20:00江苏

研究背景

水解酶是一类在催化水解反应中起关键作用的酶，能够有效地分解蛋白质、核酸和多糖等分子。水解酶的催化机制取决于特定的酶类型，通常涉及几个关键步骤：(i) 底物结合。首先，酶与底物分子结合，形成酶-底物复合物。此结合通过氢键、离子键和范德华力等相互作用，通常位于酶的活性位点处；(ii) 表面水解反应发生。水解酶的活性位点包含催化活性残基（如羟基、羧基、酰基和磷酸基团），它们促进水解反应。根据底物的性质和酶的特性，具体的机制因水解酶类型而异。催化机制可能涉及酸碱催化、酶催化的亲核取代反应和金属离子催化；(iii) 产物释放。反应完成后，产物分子从酶的活性位点处释放。随后，酶可以与新的底物分子结合，启动新的水解反应循环。

尽管水解酶种类繁多且应用广泛，但在苛刻条件下其效率仍然有限。天然水解酶在极端pH值、高离子强度和严酷有机溶剂条件下容易变性和失活。例如，在工业废水中有机磷化合物的降解（如化工、造纸、橡胶、染料、制药和石油化工等领域），天然水解酶受限于来自重金属离子和大量酸性或碱性物质的挑战，导致其结构破坏，因而水解效率下降。此外，从生物体中提取和纯化天然水解酶是一个耗时、劳动密集且成本高昂的过程，限制了其大规模应用。例如，主要从微生物中提取纤维素酶的生产成本可能高得令人难以承受，甚至占到总水解成本的50%。因此，寻找具有更高稳定性、催化性能和成本效益的人工酶以替代天然酶，将具有广泛的应用潜力。

纳米酶是一类新型的人工酶，能够在生理条件下催化底物转化为产物，并遵循类似于Michaelis-Menten动力学的酶动力学规律。由于其独特的结构和功能特性，纳米酶在生物催化、环境监测和医学诊断等领域具有广泛应用。纳米酶的纳米结构和多样化组分相较于天然酶具有较多优势，包括高催化活性、高稳定性和可扩展性等。与天然酶类似，纳米酶也可以根据其催化功能进行分类，如氧化还原酶、水解酶、裂解酶和异构酶。自Fe3O4纳米酶的发现以来，该领域的兴趣稳步增长，尽管大多数研究集中在氧化还原酶类纳米酶上。水解纳米酶首次报道于2004年（图1a），然而该领域仍处于初期阶段，目前已发表的相关文献达到1,256篇，来自71个国家（图1b，c）。大多数研究集中于磷酸酯和酰胺水解（图1c）。

目前，水解纳米酶的研究范围较为有限，且发展路径较为单一。这些纳米酶的主要设计策略是仿生学，通常遵循两种主要方法（图1a）：（1）结构引导设计，通过模仿天然酶的结构构建水解纳米酶，目的是通过复制天然酶中的催化微环境来设计具有水解活性的纳米酶；（2）机制引导设计，基于水解反应的一般机制设计水解纳米酶。然而，由于天然酶活性位点的复杂性以及对水解酶催化机制的理解有限，当前水解纳米酶的种类仍较为有限，其水解活性显著低于天然酶。因此，推动催化机制的理解、实现合理的设计指导、扩展材料选择以及提高催化性能，是水解纳米酶开发中的关键挑战。

在本综述中，作者系统总结了水解反应机制和水解纳米酶的代表性设计策略，首先介绍了它们的分类，还概述了该领域的进展，讨论了合理设计的主要挑战与机遇，并提供了当前研究的全面回顾。本综述旨在阐明水解纳米酶的研究轨迹，揭示水解纳米酶的复杂机制，促进其在未来阶段的快速发展。

图1. 水解纳米酶领域的研究进展（图片来源：Coordination Chemistry Reviews）

水解酶的分类

基于结构组成可以将水解纳米酶分为两类：1型水解纳米酶，由小分子催化剂或酶组成；2型水解纳米酶，则依赖于纳米材料的表面催化。

1型水解纳米酶可分为三类。第一类是将活性基团固定在各种纳米材料上，包括碳纳米材料（如碳纳米管，CNTs）、非金属氧化物（如SiO2）、贵金属纳米颗粒（如金纳米颗粒）。第二类包括纳米级催化剂，如多金属氧酸盐（POM）、金属有机框架（MOFs）、超分子催化剂。第三类由包封酶组成，其中天然酶被嵌入共聚物中1型水解纳米酶种类繁多，催化机制也多种多样，包括酶促催化、均相催化和协同催化过程。

2型水解纳米酶是一组无机纳米材料，自然表现出类似于酶的催化特性。它们的催化效率源于其独特的纳米结构，可以通过调整其大小和形状进一步优化。此外，这些纳米材料独特的物理和化学性质，如磁性和光热效应，使得2型水解纳米酶成为双重用途或多功能材料。各种无机纳米材料，包括金属氧化物、元素金属、无机氧化物，通常被用于水解催化。然而，由于催化作用发生在纳米材料表面，其机制与在1型水解纳米酶中观察到的机制不同。了解固体表面上不同水解底物的催化过程对于推动水解催化和纳米材料研究的进展至关重要。

其次，依据水解底物的类型，这些酶可进一步分为四类：(a) 羧酸酯水解纳米酶，可分解羧酸酯键；(b) 酰胺水解纳米酶，可裂解酰胺键；(c) 磷酸酯水解纳米酶，作用于磷酸酯键；(d) 糖苷水解纳米酶，能够水解糖苷键。羧酸酯键的水解在塑料降解以及传感器工业中具有极大的应用潜力；酰胺键的水解可以广泛的应用于在生物医学以及工业生产中；糖苷键的水解在生物传感以及洗涤剂工业中表现出了较强的发展前景；磷酸酯键的水解在环境工程中也发挥着重要的作用，其不仅可以去除有机磷农药的污染还可以有效的降解神经毒剂。

但水解纳米酶的发展，仍存在一定的困难：（1）它们都涉及复杂的水解机制，值得进一步研究；（2）很难在一个系统中解释所有影响水解反应的因素，因此大多数水解纳米酶的活性低于天然酶；（3）各种类型水解纳米酶的发展不平衡，大多数研究集中在磷酸酯键的水解上。相比之下，对其他类型的水解反应的研究较少，尤其是糖苷键的水解，缺乏足够的关注；（4）水解纳米酶的设计策略相对单一，主要采用仿生方法。

图2. 水解纳米酶的催化机理示意图（图片来源：Coordination Chemistry Reviews）

仿生设计

水解纳米酶的仿生设计方法主要分为两类。一类是通过模拟天然酶的活性位点，构建具有水解活性的空间结构、电子结构和催化微环境。另一类是基于路易斯酸碱催化机制进行设计。研究表明，路易斯酸性在水解过程中起关键作用，通过与反应物中电负性高的元素配位，降低其电子密度，从而提高亲核进攻的可能性，显著提升反应速率。此外，路易斯酸可稳定水解过程中产生的不稳定中间体（如碳阳离子或阴离子），从而防止副反应。通过设计高路易斯酸性的活性位点，可获得高催化活性的水解纳米酶。

通过仿生设计方法已经构建出大量具有水解活性的纳米酶，但仿生设计仍存在一系列问题：（1）在结构导向设计中，目标是通过模仿天然酶的活性位点和微环境来实现与天然酶相似的催化功能。然而，目前的仿生设计无法准确复制天然酶中复杂的活性位点和催化微环境。水解机制受到溶剂性质、水解底物功能基团类型和分子构象变化的影响，导致当前水解纳米酶的活性显著低于天然水解酶。因此，开发有效的水解纳米酶的关键在于深入理解水解机制。通过识别影响水解纳米酶性能的因素，并利用这些知识指导其设计，可以最终提高其催化活性。水解酶在其活性位点中具有精确排列的氢键、静电相互作用和各种功能基团网络。这种复杂的排列是其高效率和特异性水解能力的关键。相比之下，结构导向的水解纳米酶的设计无法精确复制天然酶的立体结构。因此，水解纳米酶的催化活性和特异性仍然低于天然水解酶；（2）机制导向的设计主要基于路易斯酸碱催化机制，该机制影响亲核基团对底物的吸附和对底物的亲核进攻。然而，仅凭这一机制无法完全解释水解过程。溶剂环境对水解反应的催化机制有显著影响。极性溶剂可以与底物形成氢键或离子键，改变反应路径。溶剂分子也可能影响底物分子的构象，影响反应速率。此外，溶剂的酸性和亲核性在水解反应中起着关键作用。此外，底物分子的不同功能基团和分子构型可以改变水解机制。因此，基于这些反应设计水解纳米酶需要全面考虑底物分子和溶剂效应；（3）仿生设计是一个经验性和试错的过程，模仿天然水解酶和以前关于具有水解活性纳米酶的研究，需要不断的实验来优化和调整纳米酶。新型水解纳米酶的设计受到某些类型元素和材料结构的限制。水解纳米酶的设计过程耗时费力。因此，下一代设计策略对于提高水解纳米酶的设计效率至关重要。

设计方法

基于计算驱动的设计方法为水解纳米酶的开发提供了新思路。计算模拟可用于建模原子和分子的结构与动态特性，目前主要使用密度泛函理论（DFT）进行设计。通过DFT创建的水解纳米酶模型，使研究人员能够在原子层面研究其水解活性位点和反应机制，从而揭示影响反应活性的因素，为水解纳米酶的设计提供理论依据。

随着水解纳米酶的不断发现，研究材料的范围快速扩展。然而，依赖试错法发现新材料存在局限性。对水解纳米酶的大量计算与实验数据的分析促成了数据驱动设计策略的诞生。该策略系统地收集、整理和分析数据，并结合物理化学等相关理论知识，从而揭示材料组成、结构、催化过程和性能之间的关联，为水解纳米酶的靶向设计提供指导。

通过将计算和数据驱动方法相结合，可以显著减少水解纳米酶的开发周期和设计成本。然而，当前的计算和数据驱动方法仍存在以下几个挑战：（1）速度与精度的平衡。要获得精确的结果，需要对水解纳米酶进行精确建模，并使用高精度的计算方法，同时考虑环境因素。这种方法会显著增加计算工作量，导致速度变慢。另一方面，简化建模过程并使用粗略的计算方法可以提高速度，但以降低准确性为代价；（2）建立高效的数据驱动方法对于开发固定化纳米酶至关重要，其中活性位点由多肽链和功能基团组成，对于涉及自组装的超分子催化剂同样重要。需要考虑的因素包括功能基团的组成和排列，以及材料的整体结构、电荷和亲水性。这种复杂多维数据的整合、分析和处理手动操作起来非常困难。为了解决这一挑战，在设计水解纳米酶时采用机器学习和人工智能提供了有前途的解决方案。然而，由于MOFs和第二类水解纳米酶的数据有限，难以建立全面的机器学习数据库。因此，目前有效设计这些纳米酶的主要方法是数据挖掘技术而非机器学习方法。

小结

水解纳米酶作为天然酶的潜在替代品，克服了诸如苛刻的反应条件、易失活和高生产成本等限制。然而，由于水解纳米酶的催化机制、构效关系复杂，设计与开发中仍面临诸多挑战。作者系统性评估并整合了该领域的进展，特别强调了不同类型水解纳米酶的机制和设计策略。然而，在该领域的发展过程中，水解纳米酶的进一步突破仍受到一些障碍的限制。对此，作者提出了对该领域未来发展的见解和建议。