納米酶是一類在生理條件下能夠?qū)⒌孜镛D(zhuǎn)化為產(chǎn)物并展現(xiàn)酶動力學行為的新型人工酶，廣泛應(yīng)用于生物催化、環(huán)境監(jiān)測和醫(yī)學診斷等領(lǐng)域。與天然酶類似，納米酶也可以根據(jù)其催化功能進行分類，如氧化還原酶、水解酶、裂解酶和異構(gòu)酶等。此前，材料學院朱之靈特聘教授應(yīng)邀在《ACS Nano》上發(fā)表了題為《納米酶的理性設(shè)計策略》的綜述論文（ACS Nano2023,17, 14, 13062-13080），該論文入選ESI熱點論文和ESI高被引論文。論文系統(tǒng)總結(jié)了氧化還原納米酶的理性設(shè)計方法，為納米酶的篩選和預(yù)測提供了理論指導，得到了廣泛關(guān)注。
水解納米酶是納米酶體系中另一類重要類別，廣泛應(yīng)用于化工、制藥、環(huán)境修復(fù)、食品加工、生物技術(shù)和醫(yī)學等多個行業(yè)。盡管其應(yīng)用前景廣闊，但目前對水解納米酶的研究仍十分有限。在理解水解納米酶的催化機制和設(shè)計策略方面，仍存在關(guān)鍵空白，嚴重制約了其理論發(fā)展和實際應(yīng)用。因此，系統(tǒng)梳理和總結(jié)水解納米酶的催化機制與設(shè)計方法，對于其進一步開發(fā)和應(yīng)用具有重要意義。
近日，材料學院朱之靈特聘教授等發(fā)表了一篇關(guān)于水解納米酶的綜述論文。該論文題為“Leveraging Mechanistic Insight to Design Hydrolytic Nanozymes”，發(fā)表于化學與材料領(lǐng)域的國際頂級期刊《Coordination Chemistry Reviews》（中科院一區(qū)TOP期刊，影響因子20.3）。材料學院研究生張子祺、陳震為共同第一作者，本科生張怡清、王梓暢為共同作者，朱之靈特聘教授和劉靜特聘教授為共同通訊作者，青島科技大學為唯一單位。
該論文從結(jié)構(gòu)組成和底物類型兩個方面系統(tǒng)性地綜述了水解納米酶的催化機制，并探討了從仿生設(shè)計策略到前沿的數(shù)據(jù)驅(qū)動方法等設(shè)計途徑。
（1）水解納米酶的分類：作者從兩個主要角度對水解納米酶進行了分類。首先，基于結(jié)構(gòu)組成，水解納米酶分為兩類：1型納米酶由小分子催化劑或酶組成，而2型納米酶則依賴納米材料的表面催化。其次，依據(jù)水解底物的類型，這些酶可進一步分為四類：(a)羧酸酯水解納米酶，可分解羧酸酯鍵；(b)酰胺水解納米酶，可裂解酰胺鍵；(c)磷酸酯水解納米酶，作用于磷酸酯鍵；(d)糖苷水解納米酶，能夠水解糖苷鍵。作者詳細總結(jié)并討論了1型和2型水解納米酶的催化機制及其在各類水解反應(yīng)中的應(yīng)用。
（2）水解納米酶的仿生設(shè)計：作者將水解納米酶的仿生設(shè)計方法分為兩類。一類是通過模擬天然酶的活性位點，構(gòu)建具有水解活性的空間結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)和催化微環(huán)境。另一類是基于路易斯酸堿催化機制進行設(shè)計。研究表明，路易斯酸性在水解過程中起關(guān)鍵作用，通過與反應(yīng)物中電負性高的元素配位，降低其電子密度，從而提高親核攻擊的可能性，顯著提升反應(yīng)速率。此外，路易斯酸可穩(wěn)定水解過程中產(chǎn)生的不穩(wěn)定中間體（如碳陽離子或陰離子），從而防止副反應(yīng)。通過設(shè)計高路易斯酸性的活性位點，可獲得高催化活性的水解納米酶。
（3）水解納米酶的計算驅(qū)動設(shè)計方法：基于計算驅(qū)動的設(shè)計方法為水解納米酶的開發(fā)提供了新思路。計算模擬可用于建模原子和分子的結(jié)構(gòu)與動態(tài)特性，目前主要使用密度泛函理論（DFT）進行設(shè)計。通過DFT創(chuàng)建的水解納米酶模型，使研究人員能夠在原子層面研究其水解活性位點和反應(yīng)機制，從而揭示影響反應(yīng)活性的因素，為水解納米酶的設(shè)計提供理論依據(jù)。
（4）水解納米酶的數(shù)據(jù)驅(qū)動設(shè)計方法：隨著水解納米酶的不斷發(fā)現(xiàn)，研究材料的范圍快速擴展。然而，依賴試錯法發(fā)現(xiàn)新材料存在局限性。對水解納米酶的大量計算與實驗數(shù)據(jù)的分析促成了數(shù)據(jù)驅(qū)動設(shè)計策略的誕生。該策略系統(tǒng)地收集、整理和分析數(shù)據(jù)，并結(jié)合物理化學等相關(guān)理論知識，從而揭示材料組成、結(jié)構(gòu)、催化過程和性能之間的關(guān)聯(lián)，為水解納米酶的靶向設(shè)計提供指導。
（5）總結(jié)：水解納米酶作為天然酶的潛在替代品，克服了諸如苛刻的反應(yīng)條件、易失活和高生產(chǎn)成本等限制。然而，由于水解納米酶的催化機制、構(gòu)效關(guān)系復(fù)雜，設(shè)計與開發(fā)中仍面臨諸多挑戰(zhàn)。作者系統(tǒng)性評估并整合了該領(lǐng)域的進展，特別強調(diào)了不同類型水解納米酶的機制和設(shè)計策略。然而，在該領(lǐng)域的發(fā)展過程中，水解納米酶的進一步突破仍受到一些障礙的限制。對此，作者提出了對該領(lǐng)域未來發(fā)展的見解和建議。
總之，水解納米酶作為新一代人工酶，具有較高的研究價值和廣闊的應(yīng)用前景。深入研究其催化機制與設(shè)計方法對于推動水解納米酶的進一步發(fā)展具有重要意義。通過對水解納米酶的系統(tǒng)性總結(jié)與展望，將有效推動相關(guān)領(lǐng)域的進步。
本工作得到了國家自然科學基金、泰山學者人才工程、山東省大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃等項目的資助，同時感謝陳德宏教授對本課題的寶貴幫助。
原文鏈接：https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0010854524006866
