综述:基于金属有机框架的水解纳米酶的进展与应用

《Materials Today Chemistry》:Advances and applications of metal-organic framework-based hydrolytic nanozymes

【字体: 时间:2026年03月18日 来源:Materials Today Chemistry 6.7

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  MOF基水解纳米酶的构建策略、活性调控机制及其在生物传感、环境治理和抗菌领域的应用进展及挑战分析。

  
温鹏|常向雷|王卫峰|杨俊利
甘肃中医药大学药学院,兰州,730000,中国

摘要

水解纳米酶是天然水解酶的有前景的替代品,能够在高效催化水解反应的同时克服天然水解酶的操作窗口限制。金属有机框架材料(MOFs)具有高比表面积、可调的孔结构以及丰富的活性位点,在模拟酶催化领域展现出巨大潜力。本文综述了基于MOFs的水解纳米酶的构建方法、活性调控策略及其应用。首先介绍了不同类型MOFs(如UiO系列、ZIF系列等)在模拟水解酶方面的催化潜力;其次探讨了通过修饰活性位点、功能化配体及调整孔径来制备高性能水解纳米酶的策略;此外还阐述了这些纳米酶在生物传感、环境治理和抗菌领域的应用。最后讨论了当前研究面临的挑战及未来发展方向。

引言

水解酶是一类重要的生物催化剂,可根据其作用的底物类型进行分类,包括蛋白酶、脂肪酶、核酸酶和淀粉酶等,它们在生物体内具有独特的生化功能[1]。水解酶能够催化多种化学键的水解反应,如酯键[2,3]、酰胺键[4,5]和糖苷键[6,7],在工业生产[8,9,10]、医学[11,12,13]、环境治理[14,15,16]等领域具有广泛应用。然而,天然水解酶存在稳定性差、难以回收和生产成本高等局限性。
纳米酶能够将催化活性中心整合到各种纳米材料中[17,18,19]。与天然酶相比,纳米酶具有制备简单、可大规模生产、环境耐受性强、生产和储存成本低以及可重复使用等优点,因此在生物医学、环境修复、生物传感和食品安全[20,21,22,23,24,25]等众多领域具有极高的应用潜力。其中,一类具有类似水解酶活性的纳米材料能够特异性地催化水解反应[26]。2004年,Pasquato等人首次提出“纳米酶”概念,并证明了金纳米粒子(AuNPs)作为人工酶模拟物在磷酸酯转磷酸化反应中的高催化效率[27],这一突破突破了传统酶模拟物对有机材料的依赖性,开启了基于无机材料和有机框架的纳米酶研究新方向[28,29,30,31]。尽管如此,关于水解纳米酶的研究仍相对较少。截至目前,相关论文仅有2188篇(图1B),仅占纳米酶研究总数(14,118篇)的15.5%。因此,基于设计好的活性位点构建水解纳米酶具有重要意义[32]。MOFs(金属有机框架)是一种具有周期性网络结构的结晶多孔材料,由无机金属中心和连接有机配体自组装而成。通过金属节点/簇和有机配体,MOFs能够模拟天然酶的活性中心,从而具备酶的催化功能[33]。由于其可调的晶体结构、高比表面积、丰富的孔隙率及天然的仿生催化能力,MOFs被认为是新一代水解酶模拟物的理想载体[1B]。
尽管研究人员对水解纳米酶进行了大量研究[34,35,36,37,38,39],但对基于MOFs的水解纳米酶的关注仍不足。目前关于其催化机制和酶样活性的系统报道较少,这限制了研究的进一步发展和优化。本文系统总结了近年来MOFs材料在水解酶模拟方面的研究进展,重点介绍了Oslo大学(UiO系列)、沸石咪唑框架(ZIF系列)等代表性MOF家族的结构特征和活性调控方法,并总结了这些纳米酶在生物传感、环境治理和抗菌领域的应用进展。最后分析了未来的发展机遇和关键挑战。

不同类型MOFs的结构特征

MOFs具有多样的形状、高孔隙率和化学稳定性,通过特定的化学修饰可表现出水解活性。本节首先根据MOFs的拓扑结构和化学组成将其分为UiO系列、ZIF系列等类型,然后讨论了它们在水解纳米酶领域的结构特点。

基于MOFs的水解纳米酶的活性调控策略

天然水解酶的催化性能源于其活性位点的精确设计。通过路易斯酸和碱的协同催化、精确的空间匹配以及动态微环境调控,它们能够促进底物从基态转化为活性态[63]。受天然酶催化机制的启发,水解纳米酶主要通过以下三种策略提升性能:(1)调控金属活性位点……

具有类似水解酶活性的MOFs的应用

MOFs具有丰富的活性位点、可调节的结构和优异的稳定性。凭借其出色的催化性能和结构特性,基于MOFs的水解纳米酶在生物传感[92,93,94,95]、环境治理[96,97,98,99]、抗菌[100]、疾病治疗[101,102,103,104]以及食品安全[105,106,107]等领域得到了广泛应用。

总结与展望

本文综述了基于MOFs的水解纳米酶在构建、活性和应用方面的最新进展。根据MOFs的类型,这类纳米酶可分为UiO系列、ZIF系列等。其催化活性的调控主要涉及金属活性位点的调控、配体功能化修饰和孔径调整。基于MOFs的水解纳米酶应用广泛,在不同领域发挥着重要作用。

作者贡献声明

温鹏:撰写初稿、数据可视化。常向雷:撰写、审稿与编辑、数据可视化。王卫峰:资金筹集。杨俊利:资金筹集。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了CAS“西部之光”计划、甘肃省优秀博士培养计划(24JRRA068)以及甘肃省重大科学技术计划(23ZDNA002)的资助。
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