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。