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注：文末有研究团队简介 及本文作者科研思路分析

纳米酶是指具有类似酶催化活性的无机纳米材料，由于比传统的蛋白酶具有更高的稳定性和更低的制备成本，近年来纳米酶的制备与应用引起了越来越多的关注。底物的选择性是酶的基本特征之一，然而纳米酶材料并不具备像蛋白酶一样的选择性，这在一定程度上限制了纳米酶的进一步发展。绝大多数的蛋白质酶都具有特异性的底物结合位点，即基于“钥匙和锁”模型的结构基础，保证蛋白酶的高度特异性。然而，纳米酶却不具备特异结合位点，任何扩散到其表面的底物均可反应。此前的大多数研究将重点放在提高纳米酶的催化活性上，对于底物特异性这一关键问题未能有效解决。

近日，加拿大滑铁卢大学刘珏文教授课题组通过分子印迹的方法，将纳米酶的底物特异性提高了近一百倍，为解决这一问题提供了新的思路。他们通过加入多种聚合单体，在纳米酶-底物结合体表面引发聚合反应，从而形成分子印迹的水凝胶层。移除印迹的底物分子便得到在纳米酶外围构建的底物特异性识别位点，其制备过程如下图所示。催化反应与恒温滴定实验证实，经过印迹的纳米酶底物特异性得到明显提升。值得注意的是，通过加入带电性聚合单体制备的凝胶层对于底物的特异性能更有效地提高。虽然用抗体或者核酸适配体修饰的纳米酶也可能得到类似的底物选择效果，但使用这些生物分子抵消了纳米酶价格低廉和稳定性好的优势。分子印迹材料也被称为塑料抗体，与无机纳米酶能形成较好的优势互补。

这一方法的普适性也得到了充分论证。多种纳米酶材料，包括具有过氧化酶或氧化酶活性的四氧化三铁、金以及二氧化铈等纳米材料都可以通过分子印迹的方法获得底物特异性的明显提升。分子印迹聚合物方法可完全通过化学合成制备，具备高稳定性、可重复性好及成本低廉等特点，未来的应用将非常广泛。这一成果近期发表在国际化学类顶级期刊Journal of the American Chemical Society 上，文章的第一作者是滑铁卢大学的博士研究生张子杰。

该论文作者为：Zijie Zhang, Xiaohan Zhang, Biwu Liu and Juewen Liu

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：

Molecular Imprinting on Inorganic Nanozymes for Hundred-fold Enzyme Specificity

J. Am. Chem. Soc., 2017, 139, 5412–5419, DOI: 10.1021/jacs.7b00601

刘珏文博士简介

刘珏文博士，加拿大滑铁卢大学化学系教授，博士生导师；2000年毕业于中国科技大学化学系，获得本科学位，2005年获美国伊利诺伊大学（UIUC）博士学位；在美国新墨西哥大学和Sandia国家实验室从事博士后研究工作后，2009年起受聘于滑铁卢大学；2014年获加拿大化学会Fred Beamish奖；近年来发表期刊研究论文和书籍章节共计180余篇，引用超过12000次；担任英国皇家化学会杂志Analytical Methods 副主编以及美国化学会杂志Langmuir 编委会顾问；现主要从事核酸适配体、纳米材料和软物质的分析化学、物理化学以及表面性质的研究。

刘珏文

http://www.x-mol.com/university/faculty/6857

实验室主页

http://www.science.uwaterloo.ca/~liujw/index.html

科研思路分析

Q：这项研究的最初目的是什么？或者说想法是怎么产生的？

A：纳米酶材料的高稳定性与低制备成本等特点使其成为蛋白酶的重要替代物，具有重要的应用前景。然而纳米酶材料缺乏底物特异性这一问题亟待解决。对于分子印迹技术的长期研究与实践，我们产生能否通过底物印迹的方法解决纳米酶材料缺乏特异性的想法。我们在以往的工作中成功实现了DNA酶的设计（Small, 2017, 13, 1602730），于是设想将这一思路应用于纳米材料。但其中一个重要的不同点是纳米酶的印迹无共价连接，而DNA酶通过共价键连接到印迹材料的表面，技术上比较容易实现。

Q：研究过程中遇到的最大挑战在哪里？

A：该研究中最大的挑战是合成过程中控制和测量纳米材料的包载率。由于纳米酶的浓度直接影响催化实验效果，所有的印迹纳米体系中纳米酶的使用量都需经过多项测试并进行等量标准化，其中包括感应耦合等离子体测试与紫外光谱吸收等多种测试方法的综合使用与分析计算。另外，材料的表征也较困难，在冻干状态下使用扫描电镜才能得到反映材料本身特征的电镜照片。

Q：该研究成果有哪些重要意义及可能的应用？

A：该研究提供了一种简单有效提高纳米酶对底物特异性的方法，并把分子印迹和纳米酶两个领域有效联系起来。具备高度特异性的分子印迹纳米酶体系将会在生物传感器、物质分离纯化以及药物传递等领域具有重要应用。

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