【摘要】納米酶作為中國(guó)科學(xué)家的原創(chuàng)科研成果之一，是多學(xué)科交叉融合的產(chǎn)物。這一新興交叉學(xué)科領(lǐng)域的發(fā)展既是建設(shè)世界科技強(qiáng)國(guó)和實(shí)現(xiàn)高水平科技自立自強(qiáng)的有益探索，也是從理論突破到技術(shù)創(chuàng)新再到產(chǎn)業(yè)發(fā)展的創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展的生動(dòng)實(shí)踐。納米酶代表了一類(lèi)新型人工酶和生物催化劑，打破了傳統(tǒng)意義上無(wú)機(jī)材料與有機(jī)生命的界限，既有納米材料的理化特性，也有獨(dú)特的類(lèi)酶催化活性。作為一種新概念和新材料，納米酶具有非常廣闊的應(yīng)用前景，與此同時(shí)，在催化機(jī)制理論建構(gòu)、定向設(shè)計(jì)與調(diào)控、相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的建立、發(fā)展納米酶獨(dú)有應(yīng)用領(lǐng)域等方面面臨新的挑戰(zhàn)。我國(guó)需要集中攻關(guān)納米酶關(guān)鍵技術(shù)，完善相關(guān)基礎(chǔ)研究體系建設(shè)和儀器設(shè)備平臺(tái)建設(shè)，高度重視政產(chǎn)學(xué)研用一體化建設(shè)，形成自主創(chuàng)新、富有競(jìng)爭(zhēng)力的納米酶科研生態(tài)圈以及相應(yīng)的創(chuàng)新鏈、產(chǎn)業(yè)鏈和價(jià)值鏈。
【關(guān)鍵詞】納米酶 新材料 催化 理性設(shè)計(jì) 交叉學(xué)科 布局
【中圖分類(lèi)號(hào)】G322/Q55 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A
【DOI】10.16619/j.cnki.rmltxsqy.2024.14.012
【作者簡(jiǎn)介】閻錫蘊(yùn)，中國(guó)科學(xué)院生物物理研究所研究員、博導(dǎo)，中國(guó)科學(xué)院院士，發(fā)展中國(guó)家科學(xué)院院士，第十四屆全國(guó)政協(xié)委員。研究方向?yàn)槟[瘤免疫學(xué)、納米酶催化機(jī)制及應(yīng)用研究。主要著作有《Nanozymology》《納米材料新特性及生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用》等。杜鵬，中國(guó)科學(xué)院科技戰(zhàn)略咨詢研究院研究員、博導(dǎo)。研究方向?yàn)榭萍颊?、科學(xué)技術(shù)與社會(huì)、學(xué)科政策。主要論文有《納米酶：結(jié)合天然酶和人工催化的力量》《納米生物學(xué)學(xué)科發(fā)展戰(zhàn)略研究進(jìn)展》等。
近年來(lái)，我國(guó)生物科技發(fā)展迅速，從論文和專(zhuān)利的體量上看已進(jìn)入全球第一方陣，但在發(fā)展質(zhì)量和發(fā)展水平上，尤其是在基礎(chǔ)理論、技術(shù)原創(chuàng)和高端儀器設(shè)備和制劑方面，與美國(guó)還存在一定差距。值得注意的是，我國(guó)在一些細(xì)分領(lǐng)域已達(dá)到世界領(lǐng)先水平，納米酶就是其中的一個(gè)重要學(xué)科領(lǐng)域。納米酶是由我國(guó)科學(xué)家首創(chuàng)發(fā)現(xiàn)，并在短短十余年間引領(lǐng)其從新概念發(fā)展為新學(xué)科領(lǐng)域，并實(shí)現(xiàn)新應(yīng)用的國(guó)際交叉學(xué)科新領(lǐng)域（范克龍等，2023）。這一新興交叉學(xué)科領(lǐng)域的發(fā)展既是建設(shè)世界科技強(qiáng)國(guó)和實(shí)現(xiàn)高水平科技自立自強(qiáng)的有益探索，也是從理論突破到技術(shù)創(chuàng)新再到產(chǎn)業(yè)發(fā)展的創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展的生動(dòng)實(shí)踐。
納米酶的發(fā)展沿革及其理論內(nèi)涵
納米酶的發(fā)現(xiàn)與發(fā)展。納米酶的發(fā)現(xiàn)首先是國(guó)家層面鼓勵(lì)學(xué)科交叉的結(jié)果。本世紀(jì)初，國(guó)家通過(guò)部署“納米研究”重大科學(xué)研究計(jì)劃，有意識(shí)地引領(lǐng)推動(dòng)納米研究領(lǐng)域形成多學(xué)科交叉的局面（解思深，2004）。來(lái)自物理、材料、化學(xué)、生物和醫(yī)學(xué)等不同領(lǐng)域的科學(xué)家們通過(guò)充分的交流，最終確立了國(guó)家第一個(gè)納米領(lǐng)域重大研究計(jì)劃的目標(biāo)。在這次跨學(xué)科研討中，閻錫蘊(yùn)吸收了其他學(xué)科的相關(guān)思想和理念，帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)將研究多年的腫瘤新靶點(diǎn)及其抗體與納米材料結(jié)合，擬創(chuàng)造一種用于腫瘤檢測(cè)的免疫探針?；谶@一背景，閻錫蘊(yùn)團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了納米酶。
納米酶的發(fā)現(xiàn)可謂“出乎意料”，原本陰性對(duì)照組中的納米粒子，竟然與酶的底物反應(yīng)，并產(chǎn)生如同天然酶一樣的產(chǎn)物。從這個(gè)意料之外且不合“常理”的現(xiàn)象出發(fā)，研究人員首次從酶學(xué)視角，通過(guò)與材料學(xué)、化學(xué)、物理學(xué)和酶學(xué)領(lǐng)域?qū)＜艺归_(kāi)合作，對(duì)不同粒徑、不同表面修飾的多種納米材料在不同溫度和pH條件下的催化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了系統(tǒng)研究。經(jīng)過(guò)反復(fù)驗(yàn)證，證實(shí)這種類(lèi)似天然酶的催化反應(yīng)的確來(lái)自于無(wú)機(jī)納米材料本身，即納米材料的催化現(xiàn)象是其固有的類(lèi)酶催化性質(zhì)使然，該現(xiàn)象的出現(xiàn)不是偶然，而是規(guī)律。納米材料這種奇特的納米生物效應(yīng)被命名為“納米酶”（Gao et al., 2007）。
自2007年納米材料的類(lèi)酶催化活性被首次報(bào)道以來(lái)，迄今已有來(lái)自50余個(gè)國(guó)家的400余家研究機(jī)構(gòu)報(bào)道了1200多種納米酶。閻錫蘊(yùn)團(tuán)隊(duì)與材料、化學(xué)、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的科學(xué)家合作，通過(guò)系統(tǒng)性研究，系統(tǒng)建立了納米酶學(xué)（Yan and Gao, 2020），撰寫(xiě)了多部納米酶學(xué)著作，并建立了相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，納米酶這一概念也被《中國(guó)大百科全書(shū)》（第三版）收錄。近年來(lái)，納米酶研究得到了多項(xiàng)國(guó)家重大科研項(xiàng)目的支持。為促進(jìn)納米酶的轉(zhuǎn)化應(yīng)用，中國(guó)科學(xué)院與河南省先后設(shè)立了中國(guó)科學(xué)院納米酶工程實(shí)驗(yàn)室和中原納米酶實(shí)驗(yàn)室。2022年，納米酶被科睿唯安-中國(guó)科學(xué)院前沿報(bào)告列為“重點(diǎn)熱點(diǎn)前沿”，該報(bào)告指出中國(guó)科學(xué)家是國(guó)際納米酶領(lǐng)域的引領(lǐng)者。同年，國(guó)際純粹和應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(huì)（International Union of Pure and Applied Chemistry, IUPAC）將納米酶遴選為化學(xué)領(lǐng)域十大新興技術(shù)之一。納米酶在醫(yī)學(xué)、制藥、分析檢驗(yàn)、環(huán)境治理、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、新能源等多種行業(yè)的廣泛應(yīng)用潛能，是其交叉學(xué)科特性在應(yīng)用端的體現(xiàn)。
納米酶的理論內(nèi)涵和應(yīng)用研究。納米酶是指具有類(lèi)酶催化活性的納米材料。隨著納米酶理論和應(yīng)用研究的深入，其內(nèi)涵和外延也不斷深入和擴(kuò)展，如今納米酶被認(rèn)為是一類(lèi)新型生物催化劑。此前，納米材料的納米效應(yīng)是指因其納米尺度而表現(xiàn)出的電、磁、光、聲等物理特性方面的效應(yīng)。例如，量子點(diǎn)因其納米尺度賦予的光學(xué)效應(yīng)而具有發(fā)光特性，被應(yīng)用于生物檢測(cè)、醫(yī)學(xué)成像和顯示器，并在光伏發(fā)電等領(lǐng)域具有應(yīng)用潛能，為量子點(diǎn)的發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用作出重要貢獻(xiàn)的三位科學(xué)家因此獲得2023年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)（Manna, 2023）。而納米材料在納米尺度下表現(xiàn)出類(lèi)酶催化功能，則是納米材料生物學(xué)效應(yīng)的首次發(fā)現(xiàn)，其創(chuàng)新性和社會(huì)意義不言而喻。
納米酶作為一類(lèi)新型生物催化劑具有廣泛的應(yīng)用潛能。此前已被應(yīng)用的具有催化活性的物質(zhì)包括酶和化學(xué)催化劑。酶是生物體內(nèi)發(fā)揮催化功能的生物大分子，具有催化效率高、專(zhuān)一性強(qiáng)、反應(yīng)條件溫和等特點(diǎn)。但是由于酶容易受到多種物理、化學(xué)因素的影響而失活，因此，盡管已有近萬(wàn)種酶被發(fā)現(xiàn)，但其中能夠開(kāi)發(fā)為酶制劑應(yīng)用的只有不足1%，其應(yīng)用領(lǐng)域包括食品加工、紡織、造紙、皮革、生物醫(yī)藥等（袁勤生，2012），而更多的工業(yè)過(guò)程依賴(lài)于化學(xué)催化劑的使用。催化劑種類(lèi)繁多，其化學(xué)性質(zhì)多為金屬、過(guò)渡金屬的氧化物及硫化物、非過(guò)渡元素氧化物等，在各行各業(yè)廣泛應(yīng)用。但是由于催化劑的專(zhuān)一性不足，仍然不能替代酶的用途。如何將酶的特點(diǎn)和催化劑的優(yōu)越性相結(jié)合，是酶和催化劑領(lǐng)域共同面臨的挑戰(zhàn)。酶的定向進(jìn)化、人工模擬酶、不對(duì)稱(chēng)催化等研究是這個(gè)方向的重要突破，其中手性催化劑和不對(duì)稱(chēng)有機(jī)催化的研究分獲2001年和2021年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)，酶的定向進(jìn)化研究獲得2018年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)（O'Connell et al., 2024）。
納米酶具有類(lèi)似酶的結(jié)構(gòu)和催化機(jī)制以及類(lèi)似化學(xué)催化劑的材料屬性，因此兼具酶和化學(xué)催化劑的可應(yīng)用性。正如國(guó)際純粹和應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(huì)在2022年將納米酶遴選為化學(xué)領(lǐng)域十大新興技術(shù)的理由——“集天然催化和人工催化之大成”，納米酶因此有望成為開(kāi)發(fā)新型催化劑的新途徑（Gomollón-Bel, 2022）。不僅如此，納米酶還具有不同于酶和金屬離子催化劑的獨(dú)特性能，例如納米酶的催化活性可被聲、光、電、熱、pH等理化條件調(diào)控，同一納米酶可能兼具多種可被調(diào)控的酶活，使納米酶具有比酶和催化劑更廣泛的用途（Jiang et al., 2019）。目前，納米酶的應(yīng)用研究已涉及生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境保護(hù)、農(nóng)業(yè)及新能源等領(lǐng)域，其中在病原檢測(cè)、痕跡鑒定、農(nóng)作物固氮增產(chǎn)等方面的納米酶技術(shù)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化和實(shí)際應(yīng)用。
納米酶研究的方法論創(chuàng)新。納米酶研究的方法論融合了多學(xué)科的知識(shí)和技術(shù)，包括酶學(xué)、材料科學(xué)、化學(xué)、合成生物學(xué)和醫(yī)學(xué)（杜鵬等，2024）。傳統(tǒng)的酶學(xué)研究依賴(lài)于生物技術(shù)手段，而納米酶研究則需要綜合應(yīng)用納米技術(shù)、合成化學(xué)和先進(jìn)的分析技術(shù)。這種方法論的創(chuàng)新不僅使納米酶研究成為新興學(xué)科的重要組成部分，也促進(jìn)了不同學(xué)科之間的深度交叉融合。例如，納米技術(shù)的發(fā)展為納米酶的研究提供了強(qiáng)大的工具和平臺(tái)。通過(guò)調(diào)控納米材料的尺寸、形貌、元素組成和表面性質(zhì)，研究人員可以設(shè)計(jì)和合成具有特定催化功能的納米酶，并實(shí)現(xiàn)對(duì)其催化活性和選擇性的精準(zhǔn)調(diào)控。同時(shí)，高分辨率顯微技術(shù)和先進(jìn)的表征手段使得研究人員能夠深入了解納米酶的結(jié)構(gòu)和功能關(guān)系，從而為優(yōu)化其催化性能提供科學(xué)依據(jù)。
納米酶學(xué)科領(lǐng)域的創(chuàng)立、發(fā)展和應(yīng)用研究歷程集中體現(xiàn)了我國(guó)科研工作者實(shí)事求是、堅(jiān)持不懈、合作開(kāi)放和敢想敢干的科學(xué)精神。納米酶的發(fā)現(xiàn)最初始于一個(gè)意料之外、不合“常理”的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，即通常被認(rèn)為是惰性的納米材料表現(xiàn)出類(lèi)似于酶的催化活性。正是由于研究人員沒(méi)有被“常理”束縛，在實(shí)事求是的基礎(chǔ)上，追根求源，探索現(xiàn)象背后的本質(zhì)，才能發(fā)現(xiàn)偶然背后的必然性，提出納米尺度效應(yīng)賦予納米材料類(lèi)酶生物學(xué)效應(yīng)這一新理論。在新概念提出之初，面對(duì)來(lái)自國(guó)外某些權(quán)威的質(zhì)疑，研究人員不氣餒不放棄，將質(zhì)疑化作動(dòng)力，用更多的研究成果夯實(shí)新理論，有力回應(yīng)質(zhì)疑，最終使納米酶成為國(guó)際公認(rèn)的新興交叉學(xué)科。
納米酶發(fā)展的前景與挑戰(zhàn)
新理論。盡管納米酶的發(fā)現(xiàn)是基于人工合成的納米材料，但越來(lái)越多的研究提示，生物體內(nèi)存在天然納米酶。例如，趨磁細(xì)菌胞內(nèi)合成的磁性納米粒子被稱(chēng)為磁小體，成分為四氧化三鐵或四硫化三鐵，其功能被認(rèn)為是“響應(yīng)地磁的磁場(chǎng)感應(yīng)器”。近年來(lái)有研究表明，磁小體具有過(guò)氧化物酶活性（Li et al., 2015）。從古細(xì)菌到人類(lèi)等多物種體內(nèi)存在的鐵蛋白，是原核生物與真核生物用于儲(chǔ)存鐵離子的主要蛋白質(zhì)，能夠?qū)⒂卸镜挠坞x亞鐵離子轉(zhuǎn)化成內(nèi)部的以水鐵礦形式為主的鐵核，從而減少對(duì)生物體的傷害，而有研究表明其內(nèi)部的鐵核具有超氧化物歧化酶（Superoxide dismutase, SOD）活性，在細(xì)胞內(nèi)發(fā)揮了抗氧化的作用（Ma et al., 2024）。這些發(fā)現(xiàn)提示生物體內(nèi)存在可能參與生命活動(dòng)的天然納米酶。天然納米酶還被發(fā)現(xiàn)參與某些疾病。例如，蛋白質(zhì)和多肽組裝成淀粉樣纖維的行為已被認(rèn)為與神經(jīng)退行性疾病密切聯(lián)系。閻錫蘊(yùn)團(tuán)隊(duì)在研究中發(fā)現(xiàn)組氨酸調(diào)控蛋白和多肽的淀粉樣組裝，賦予組裝體納米酶的類(lèi)過(guò)氧化物酶活性，會(huì)產(chǎn)生活性氧，造成神經(jīng)細(xì)胞損傷（Yuan et al., 2023）。這一發(fā)現(xiàn)從納米酶角度提示了阿爾茨海默病發(fā)病新機(jī)制，不但證實(shí)了生物體內(nèi)存在天然納米酶，更說(shuō)明了天然納米酶與疾病的重要關(guān)系。
上述天然納米酶的存在及其生理病理功能提示我們，納米酶有可能是生物體內(nèi)除蛋白和核酸外的另一種生物催化劑形式。不僅如此，納米酶作為無(wú)機(jī)材料與有機(jī)生命之間的橋梁，有可能在生命起源過(guò)程中扮演重要的角色。關(guān)于生命從哪里起源有不同的假說(shuō)，而無(wú)論是火山口、深海“黑煙囪”還是地外隕石，都發(fā)現(xiàn)有納米礦物的存在。而且有研究表明，鐵鎳合金納米酶在25℃可催化CO2固定化，從無(wú)機(jī)物生成有機(jī)物，且反應(yīng)產(chǎn)物和古細(xì)菌逆三羧酸循環(huán)中CO2固定的反應(yīng)產(chǎn)物類(lèi)似（Beyazay et al., 2023; Steffens et al., 2021），而古菌中催化該反應(yīng)的酶也是以鐵、鎳為酶活中心。由此，筆者團(tuán)隊(duì)提出納米酶生命起源假說(shuō)：（1）納米酶可能是生命起源中的酶前催化劑；（2）生物體內(nèi)的無(wú)機(jī)納米酶顆粒可能與金屬酶系統(tǒng)進(jìn)化存在聯(lián)系（Yuan et al., 2023；杜鵬等，2024）。這一假說(shuō)不僅為生命起源提供了新的注解，也豐富了酶的含義。
新應(yīng)用。納米酶催化醫(yī)學(xué)將是未來(lái)納米酶重要的應(yīng)用領(lǐng)域（Zhang et al., 2024）。天然酶作為生物催化藥物，在解決與氧化還原失衡、代謝紊亂和免疫失調(diào)相關(guān)的疾病方面具有良好應(yīng)用前景。然而，由于酶的活性不可控、穩(wěn)定性有限、免疫原性強(qiáng)等性質(zhì)，其臨床應(yīng)用遇到了挑戰(zhàn)。盡管酶多種多樣，但只有有限數(shù)量的酶，如呋喃果糖苷酶、尿酸水解酶和亞氨基葡萄糖酶等被開(kāi)發(fā)成藥物（Meghwanshi et al., 2020）。納米酶作為一類(lèi)新型生物催化劑，為克服這些局限提供了新的途徑。
天然酶按照其催化類(lèi)型可分為7大類(lèi)，即氧化還原酶、轉(zhuǎn)移酶、水解酶、異構(gòu)酶、裂合酶、連接酶和轉(zhuǎn)位酶。目前已發(fā)現(xiàn)和制造的納米酶催化類(lèi)型覆蓋了其中的6種，即類(lèi)氧化還原酶、類(lèi)水解酶、類(lèi)異構(gòu)酶、類(lèi)裂合酶、轉(zhuǎn)移酶和連接酶，其中絕大部分為類(lèi)氧化還原酶，例如類(lèi)過(guò)氧化物酶、類(lèi)氧化酶、類(lèi)超氧化物歧化酶、類(lèi)過(guò)氧化氫酶和類(lèi)谷胱甘肽過(guò)氧化物酶納米酶等。納米酶在催化醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用主要集中在調(diào)節(jié)體內(nèi)的活性氧平衡（Singh et al., 2023）。根據(jù)其總體催化效果，納米酶可分為抗氧化納米酶和促氧化納米酶兩大類(lèi)?？寡趸{米酶主要用于治療與活性氧相關(guān)的病理情況，如輻射損傷、動(dòng)脈粥樣硬化、缺血性中風(fēng)和炎癥性腸病等。這些納米酶主要具有類(lèi)超氧化物歧化酶或類(lèi)過(guò)氧化氫酶（Catalase）活性，能夠通過(guò)接受或捐贈(zèng)電子來(lái)催化活性氧的轉(zhuǎn)換，從而在體內(nèi)發(fā)揮抗氧化作用（Xu et al., 2024）。促氧化納米酶主要用于抗腫瘤和抗微生物的應(yīng)用。通過(guò)催化過(guò)氧化氫的分解，促氧化納米酶能夠生成羥基自由基，從而氧化有機(jī)底物并殺死腫瘤細(xì)胞和病原體（Zhou et al., 2024）。
納米酶抗菌將是納米酶催化醫(yī)學(xué)的另一重要應(yīng)用。例如，硫化鐵納米酶一方面可誘導(dǎo)細(xì)菌發(fā)生鐵死亡，另一方面其催化脂質(zhì)氧化的活性可破壞細(xì)菌形成的生物膜，從而發(fā)揮殺菌效應(yīng)，特別是針對(duì)耐藥致病菌有獨(dú)特的抗耐藥機(jī)制（Shen et al., 2020）。
此外，納米酶還可用于生物檢測(cè)和診斷領(lǐng)域，如檢測(cè)生物標(biāo)志物、監(jiān)測(cè)疾病進(jìn)程等（Wang et al., 2018）。通過(guò)設(shè)計(jì)具有特定識(shí)別功能的納米酶，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)生物分子的高靈敏度和高特異性檢測(cè)。
納米酶在醫(yī)學(xué)中的發(fā)展?jié)摿Σ豢珊鲆?，但要?shí)現(xiàn)其在臨床上的廣泛應(yīng)用，還需克服諸多挑戰(zhàn)。首先，納米酶的生物相容性和安全性是其臨床應(yīng)用的前提。盡管目前的研究顯示許多納米酶具有良好的生物相容性，但對(duì)其在體內(nèi)長(zhǎng)期使用的潛在毒性和副作用仍需進(jìn)一步研究。其次，納米酶的制備工藝和穩(wěn)定性也是影響其臨床應(yīng)用的重要因素。高效、可控的合成方法和穩(wěn)定的制劑形式是確保納米酶在實(shí)際應(yīng)用中表現(xiàn)優(yōu)異的關(guān)鍵。此外，納米酶在體內(nèi)的靶向輸送和精準(zhǔn)調(diào)控也是未來(lái)研究的重點(diǎn)。納米酶的靶向性可以通過(guò)表面修飾特定的靶向配體或利用納米載體進(jìn)行包封和傳遞來(lái)實(shí)現(xiàn)，從而提高其在疾病治療中的有效性和安全性。
除了醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用，納米酶所具有的獨(dú)特屬性，如可調(diào)控的多酶活性、低溫催化等特性，賦予納米酶獨(dú)有的應(yīng)用潛能，這是其他酶或催化劑未涉及的。例如，利用低溫納米酶在零度以下仍然能發(fā)揮催化活性的特性，研究人員正在研究將其應(yīng)用于秸稈的在田降解，特別是北方秋收作物的秸稈還田，在秋冬低溫條件下將秸稈中的纖維素和半纖維素降解為小分子。該項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用將有助于我國(guó)的土壤保護(hù)和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。
納米酶化工將是納米酶作為新型人工酶最具潛力的應(yīng)用領(lǐng)域。以合成氨為例，合成氨技術(shù)是在催化劑和高溫高壓條件下以氮?dú)夂蜌錃庵苽浒钡募夹g(shù)，合成氨是化肥工業(yè)和有機(jī)化工的基本原料，其中90%用作氮肥。作為農(nóng)業(yè)大國(guó)，我國(guó)的合成氨產(chǎn)量位居世界第一。由于現(xiàn)有合成氨工藝依賴(lài)于高溫高壓，高耗能和高排放成為行業(yè)面臨的最大問(wèn)題。為進(jìn)一步加大節(jié)能降碳工作力度，2024年6月7日，國(guó)家發(fā)展改革委等5部門(mén)聯(lián)合發(fā)布包括合成氨在內(nèi)的4個(gè)行業(yè)的節(jié)能降碳專(zhuān)項(xiàng)行動(dòng)計(jì)劃，以期為積極穩(wěn)妥推進(jìn)碳達(dá)峰碳中和、加快發(fā)展方式綠色轉(zhuǎn)型提供有力支撐。固氮納米酶是發(fā)展綠色合成氨技術(shù)的潛在途徑。研究人員根據(jù)與固氮植物共生的固氮菌的固氮酶的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)仿生合成了固氮納米酶，將其以噴施的方式應(yīng)用于農(nóng)作物，可實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物增產(chǎn)。在20萬(wàn)畝150余種作物上的試驗(yàn)結(jié)果表明，其增產(chǎn)率達(dá)到20%～30%。除代替化肥施用于農(nóng)作物之外，研究人員正在探索利用固氮納米酶合成氨的可行性，以常溫常壓的反應(yīng)條件替代催化劑高溫高壓工藝，解決合成氨高耗能和高排放的問(wèn)題。
新挑戰(zhàn)。納米酶發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)主要表現(xiàn)在以下四個(gè)方面。其一，催化機(jī)制理論建構(gòu)。盡管已經(jīng)有1200多種納米酶被發(fā)現(xiàn)和報(bào)道，但是當(dāng)前納米酶的催化機(jī)制研究還不成熟，納米酶尚需發(fā)展統(tǒng)一的催化理論模型。未來(lái)研究中需著力解決的問(wèn)題包括：某些納米酶表現(xiàn)出與酶相似的符合米氏方程的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，是否存在不符合米氏方程動(dòng)力學(xué)，甚至不同于酶動(dòng)力學(xué)的納米酶？納米酶是否具有類(lèi)似于酶的柔性及誘導(dǎo)契合機(jī)制來(lái)決定納米酶的底物特異性？納米酶結(jié)構(gòu)中催化活性位點(diǎn)之外的結(jié)構(gòu)對(duì)其特異性和催化活性有怎樣的影響？如何表征及定量納米酶表面的活性位點(diǎn)？
其二，納米酶的定向設(shè)計(jì)與調(diào)控。關(guān)于納米酶的定向設(shè)計(jì)具體包括：在建立催化理論模型及確定的構(gòu)效關(guān)系的基礎(chǔ)上，開(kāi)展納米酶的定向設(shè)計(jì)和按需調(diào)控；運(yùn)用人工智能指導(dǎo)的納米酶定向設(shè)計(jì)為納米酶的應(yīng)用提供保障；通過(guò)多策略指導(dǎo)高效（高活性與高選擇性）納米酶的設(shè)計(jì)與合成，如基于理論計(jì)算及催化構(gòu)效關(guān)系指導(dǎo)的設(shè)計(jì)與合成、基于仿生策略的設(shè)計(jì)與合成、基于人工智能的設(shè)計(jì)與合成、基于自動(dòng)化的高通量篩選與合成等。實(shí)現(xiàn)納米酶按需調(diào)控的關(guān)鍵問(wèn)題包括：如何設(shè)計(jì)新催化類(lèi)型納米酶？如何研究納米酶在復(fù)雜環(huán)境（如體內(nèi)）中的催化行為？如何調(diào)控納米酶在體內(nèi)的代謝與催化？
其三，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的建立。納米酶是從無(wú)到有建立的新興交叉學(xué)科，其表征方法，酶活的定義、測(cè)定方法和標(biāo)準(zhǔn)，以及一系列學(xué)術(shù)和行業(yè)術(shù)語(yǔ)的定義等也需要從無(wú)到有逐步建立。在初步建立了納米酶術(shù)語(yǔ)和部分納米酶活性測(cè)量方法的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，仍有以下標(biāo)準(zhǔn)問(wèn)題亟待解決：如何建立完善的納米酶分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)？具有不同于天然酶生物催化活性的納米酶如何命名與活性評(píng)價(jià)？如何定量評(píng)價(jià)和比較納米酶的催化活性？
其四，發(fā)展納米酶獨(dú)有的應(yīng)用領(lǐng)域。納米酶是不同于酶和化學(xué)催化劑的新型生物催化劑。除了替代一部分酶和化學(xué)催化劑的應(yīng)用場(chǎng)景以外，發(fā)現(xiàn)納米酶獨(dú)有的不可替代的應(yīng)用領(lǐng)域是更具價(jià)值的探索方向。除已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的應(yīng)用以外，納米酶還在以下領(lǐng)域表現(xiàn)出獨(dú)特的應(yīng)用價(jià)值：催化醫(yī)學(xué)（氧化還原相關(guān)疾病治療）、農(nóng)業(yè)（抗逆、增產(chǎn)、秸稈降解）、畜牧業(yè)（飼料殺菌）、食品加工（冷鏈消毒）及綠色化工（精細(xì)化學(xué)品的合成）等。未來(lái)仍需繼續(xù)開(kāi)拓納米酶的應(yīng)用領(lǐng)域。
我國(guó)納米酶及相關(guān)產(chǎn)業(yè)的布局方向與對(duì)策建議
當(dāng)前，我國(guó)正處于建設(shè)世界科技強(qiáng)國(guó)和實(shí)現(xiàn)高水平科技自立自強(qiáng)的關(guān)鍵時(shí)期，在緊迫形勢(shì)下，我國(guó)需要集中攻關(guān)納米酶共性關(guān)鍵技術(shù)，完善相關(guān)基礎(chǔ)研究體系建設(shè)和儀器設(shè)備平臺(tái)建設(shè)，高度重視政產(chǎn)學(xué)研用一體化建設(shè)，形成自主創(chuàng)新、富有競(jìng)爭(zhēng)力的納米酶科研生態(tài)圈以及相應(yīng)的創(chuàng)新鏈、產(chǎn)業(yè)鏈和價(jià)值鏈。
我國(guó)納米酶及相關(guān)產(chǎn)業(yè)的布局方向。第一，突出重點(diǎn)，加強(qiáng)研究。根據(jù)目前相關(guān)專(zhuān)家對(duì)前沿突破和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的戰(zhàn)略研判情況來(lái)看，今后一段時(shí)期，我國(guó)納米酶在基礎(chǔ)研究與應(yīng)用研究領(lǐng)域應(yīng)重點(diǎn)布局以下五個(gè)方向（焦健等，2019）：納米酶新活性及其新材料，納米酶的催化行為、催化動(dòng)力學(xué)和多酶協(xié)同機(jī)制，納米酶的優(yōu)化設(shè)計(jì)、可控制備與標(biāo)準(zhǔn)化，納米酶在生物體內(nèi)的免疫相容性、代謝規(guī)律與量化研究，以及納米酶的應(yīng)用研究。
第二，強(qiáng)化科研、產(chǎn)業(yè)、政策“三位一體”協(xié)同發(fā)展，加強(qiáng)與轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)的結(jié)合。優(yōu)化納米酶配套政策的頂層設(shè)計(jì)、學(xué)科發(fā)展戰(zhàn)略和社會(huì)效應(yīng)評(píng)估等政策研究布局，重視產(chǎn)業(yè)和市場(chǎng)的需求。對(duì)于納米酶研究中的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題，堅(jiān)持“從需求中來(lái)，到產(chǎn)業(yè)中去”，推動(dòng)納米酶技術(shù)創(chuàng)新上、中、下游緊密對(duì)接與耦合，促進(jìn)研發(fā)、產(chǎn)業(yè)、政策協(xié)同發(fā)展。特別是在納米酶基礎(chǔ)研究與臨床醫(yī)療之間建立更為直接的聯(lián)系，倡導(dǎo)實(shí)驗(yàn)室與臨床研究雙向轉(zhuǎn)化的模式。
第三，提升“納米＋”的潛能。納米尺度展現(xiàn)出許多物質(zhì)的新性質(zhì)，納米科技也成為越來(lái)越多行業(yè)領(lǐng)域的共性技術(shù)或關(guān)鍵技術(shù)。當(dāng)前，“納米＋”的平臺(tái)效應(yīng)日益凸顯，并且正在對(duì)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的改造升級(jí)與新興產(chǎn)業(yè)的培育發(fā)展產(chǎn)生廣泛而深遠(yuǎn)的影響。納米酶兼具天然酶與人工催化特性，應(yīng)充分發(fā)揮其在經(jīng)濟(jì)社會(huì)和國(guó)家安全等諸多方面的作用和潛能。因此，需重點(diǎn)布局納米酶的技術(shù)研發(fā)平臺(tái)，鼓勵(lì)其朝著多樣性、適用性、創(chuàng)新性方向發(fā)展，促進(jìn)跨界融合、形成更廣泛的以納米酶為關(guān)鍵工具和通用技術(shù)的新質(zhì)生產(chǎn)力。通過(guò)科技創(chuàng)新引領(lǐng)產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新，不斷培育新產(chǎn)業(yè)、催生新模式、形成新動(dòng)能。
實(shí)施布局需要的政策支撐。第一，成立納米酶專(zhuān)門(mén)管理機(jī)構(gòu)。建議在中央科技委員會(huì)或科技部下設(shè)專(zhuān)門(mén)機(jī)構(gòu)，開(kāi)展納米酶的技術(shù)預(yù)警、需求論證、組織研發(fā)、應(yīng)用推動(dòng)等工作。主動(dòng)跟蹤國(guó)際納米酶關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)動(dòng)向，組織開(kāi)展納米酶核心技術(shù)的研發(fā)布局，重點(diǎn)關(guān)注納米酶在國(guó)家科技專(zhuān)項(xiàng)中的前瞻性部署，加強(qiáng)納米酶領(lǐng)域相關(guān)高校、科研院所與產(chǎn)業(yè)機(jī)構(gòu)合作的政策引導(dǎo)，加強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)，積極主導(dǎo)該技術(shù)的國(guó)際規(guī)則與標(biāo)準(zhǔn)制定，引領(lǐng)國(guó)際納米酶領(lǐng)域的發(fā)展。
第二，搭建納米酶共性技術(shù)研發(fā)平臺(tái)。建議依托相關(guān)研究機(jī)構(gòu)搭建納米生物酶共性技術(shù)研發(fā)平臺(tái)，并將上文提及的五個(gè)相關(guān)重點(diǎn)布局方向作為主要研發(fā)方向和關(guān)鍵突破口。作為一個(gè)匯聚平臺(tái)，納米酶共性技術(shù)研發(fā)平臺(tái)需要在納米尺度上突出新興科學(xué)技術(shù)的整體發(fā)展觀，重點(diǎn)關(guān)注納米酶高新技術(shù)專(zhuān)用設(shè)備的研發(fā)，強(qiáng)化納米酶產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新鏈相關(guān)機(jī)構(gòu)的合作伙伴關(guān)系，開(kāi)展納米酶核心技術(shù)、共性技術(shù)、重大顛覆性技術(shù)研發(fā)，滿足國(guó)民經(jīng)濟(jì)、社會(huì)發(fā)展和國(guó)家安全的需求。
第三，推動(dòng)學(xué)科交叉融合。建議通過(guò)設(shè)立專(zhuān)項(xiàng)基金來(lái)支持納米酶及其交叉學(xué)科的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題研究，加強(qiáng)納米酶與機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)等人工智能應(yīng)用的深度結(jié)合，發(fā)展數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)型科學(xué)研究的基礎(chǔ)算法模型、復(fù)雜系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)模擬以及相應(yīng)的通用技術(shù)方法。完善學(xué)科交叉融合研究的資助體系，建立跨領(lǐng)域、跨專(zhuān)業(yè)青年人才聯(lián)合培養(yǎng)模式和機(jī)制。建立不同高校和科研院所之間常態(tài)化的合作機(jī)制和協(xié)作網(wǎng)絡(luò)，鼓勵(lì)開(kāi)展跨部門(mén)、跨行業(yè)、跨學(xué)科的交叉合作研究。
第四，完善以企業(yè)為主體的納米酶技術(shù)創(chuàng)新體系。建議由國(guó)家發(fā)展改革委牽頭研究制定《納米酶高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展專(zhuān)項(xiàng)政策》，推動(dòng)納米酶政產(chǎn)學(xué)研用一體化建設(shè)。深入調(diào)研、全面了解醫(yī)院和藥企的實(shí)際問(wèn)題和實(shí)際需求，進(jìn)一步創(chuàng)新完善支持政策，鼓勵(lì)納米酶產(chǎn)業(yè)的領(lǐng)軍企業(yè)牽頭承擔(dān)國(guó)家相關(guān)科技重大任務(wù)，引導(dǎo)企業(yè)開(kāi)展基礎(chǔ)性、前沿性、實(shí)用性創(chuàng)新研究，在技術(shù)創(chuàng)新決策、研發(fā)投入、科研組織和成果轉(zhuǎn)化等方面，強(qiáng)化企業(yè)的主導(dǎo)作用。同時(shí)，引導(dǎo)創(chuàng)新組織方式，鼓勵(lì)地方和社會(huì)力量參與，聚焦納米酶技術(shù)的標(biāo)志性成果，設(shè)置成果轉(zhuǎn)化基金以加快成果應(yīng)用和轉(zhuǎn)化。
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Nanozyme: Theoretical Connotation, Development Prospect and Policy Suggestions
Yan Xiyun Du Peng
Abstracts: As one of the original scientific research achievements of Chinese scientists, nanozyme is the product of interdisciplinary integration. The development of this emerging interdisciplinary scientific field not only explores beneficial pathways for building great power in science and technology and achieving fast-tracking progress toward greater self-reliance and strength in S&T, but also a vibrant practice of innovation-driven development from theoretical breakthrough to technological innovation to industrial development. Nanozyme represents a new type of artificial enzyme and biocatalyst, which breaks the traditional boundary between inorganic materials and organic life. It not only has the physical and chemical properties of nanomaterials, but also has unique enzyme-like catalytic activity. As a new concept and material, nanozymes have vast application prospects. Simultaneously, they face new challenges in catalytic mechanism theory construction, targeted design and regulation, establishment of relevant standards, and development of unique application fields for nanozymes. China needs to concentrate on key technologies of nanozymes, improve related basic research system construction and instrument equipment platform, attach great importance to the integration of government, industry, academia, and research, form an innovative ecosystem for nanozyme research with competitiveness, and develop corresponding innovation chains, industry chains, and value chains.
Keywords: nanozymes, new materials, catalysis, rational design, interdiscipline, layout
