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阎锡蕴:纳米酶“跨界”开辟新天地

南开新闻网记者 吴军辉 通讯员 郝永伟 摄影 吴军辉
 
 

  “今天,我想介绍一个跨界范儿十足的新名词——‘纳米酶’,通过纳米酶和各位分享一下科研的‘跨界’。就用这两个分子,来汇报一下我们团队的工作。一个分子是‘抗体’,第二个分子就是‘纳米粒子’,两者交叠就是‘纳米酶’。”7月12日,中国科学院院士阎锡蕴受邀做客南开大学,为我校药物化学生物学国家重点实验室作学术报告。

  当天的报告会由中国科学院院士、南开大学原校长饶子和主持。南开大学党委副书记王磊出席。

  阎锡蕴是著名的肿瘤生物学家,长期从事肿瘤学研究。她带领团队发现了具有重要临床应用前景的肿瘤新靶点CD146,并实现了成果转化。她提出了“纳米酶”新概念,第一次从酶学角度揭示了无机纳米材料的酶促反应动力学、催化机制,并将其用于污水治理、肿瘤诊断和埃博拉等病毒的检测,曾荣获国家自然科学奖二等奖等。

  当天,在题为《纳米酶:肿瘤治疗新策略》的报告中,阎锡蕴详细介绍了肿瘤靶点CD146和纳米酶的相关研究历程。

  阎锡蕴首先讲述了纳米酶的发现过程,并笑称这是个“跨界范儿”十足的名字。

  Fe3O4纳米材料通常被认为是一种无机的惰性物质,其磁性特征常被应用于蛋白质与核酸的分离纯化、肿瘤治疗以及核磁共振成像等方面。2007年,阎锡蕴课题组的一名学生发现,磁纳米颗粒在过氧化氢存在时,可催化HRP的多种底物发生氧化反应,并产生与HRP催化完全相同的颜色。为了排除其他因素的影响,研究人员设计了严格的实验环境,经过反复试验,大胆猜测Fe3O4纳米颗粒本身具有类似过氧化物酶的催化活性。随后,又系统研究了纳米酶的催化效率、反应动力学参数和催化机制,均与天然HRP酶相似。据此,研究者提出Fe3O4纳米颗粒是一类过氧化物模拟酶。

  在以往的研究中,如果想赋予磁纳米材料催化活性,人们常常采用“加法”,在其表面修饰一些酶或其他催化基团。这种金纳米颗粒的催化活性来自于其修饰物。现在研究人员用“减法”,当这种纳米材料的粒径缩小到一定值时,本身就具有催化活性,无需在其表面修饰任何催化基团。相同质量的纳米酶,粒径越小催化效率越高,这种尺度效应也是纳米科学研究的核心问题。

  在今年的7月2日,阎锡蕴课题组首次定义了纳米酶活性单位及标准化,相关内容报道在《Nature Protocols》。在最适反应条件下,每分钟内催化1μmol底物转化为产物所需的纳米酶量为1 U;将纳米酶的比活性(specific activity,U/mg)定义为每单位质量的纳米酶单位数,并严格规定了纳米酶的比活检测条件及计算公式(b=V/(ε×L)×(ΔA/Δt )/ mFe)。

  自2007年纳米酶问世以来,相关研究已在全球26个国家逾220个实验室开展,研究人员发现了多种类型的纳米酶,也证实了其在肿瘤诊断与治疗、病毒检测、污水处理以及医疗器械处理等多方面的应用。

  研究人员用仿生法合成了一种磁铁蛋白纳米粒,这种纳米粒由蛋白外壳和铁内核两部分构成,可以识别肿瘤并使其显色,它在75℃,30min时结构依然稳定,这种特性也被用于分离纯化。通过对临床常见肿瘤标本的筛查,发现它能够与9种常见肿瘤(肝癌、肺癌等)特异结合,这种新型铁蛋白纳米粒肿瘤诊断的灵敏度为98%,特异性为95%,检测结果与临床常用的基于抗体的免疫组化方法一致。阎锡蕴团队发明的肿瘤诊断新技术,其成果入选2012年中国十大科学进展。

  动物荷瘤实验表明,铁蛋白-碳氮纳米酶可显著抑制肿瘤的生长。这也为临床治疗肿瘤提供了一种新思路。而铁蛋白纳米载体的载药量至少为100个分子,也远高于传统药物载体。

  除此以外,纳米酶试纸条的出现为传染病检测提供了一种新方法,利用Fe3O4纳米酶构建的探针能够将免疫层析法对埃博拉病毒的检测灵敏度提高100倍。其还可应用在公安部物证鉴定中心相关鉴定工作。

  现场师生表示,通过聆听阎锡蕴院士的报告,感觉到纳米酶从发现到设计,再到应用,中国科学家正在逐渐将成果转化,也实现了在自己开创的领域里领跑全球的目标。