[精品]纳米材料和酶

1、纳米科学与酶摘 要 现代牛命科学的发展尤其注重极端条件下牛物体系的潜力。作为工业生物技术科学 的一个分支，现代酶技术广泛探索如何极大限度地使酚在细胞外长期保持活性，并能有效地 适m非生态环境的条件。纳米科学的迅速发展为酶的稳定和高效催化转化带来了新的机遇。 纳米材料和酶技术结合可制备纳米酶催化剂，其纳米结构不仅能使酶在不同体系长期保持活 性稳定,ku n.能提高水相、有机相、油2水界面的催化效率，并使多猶体系催化反应和辅酶再 生成为可能。纳米颗粒的高曲率能降低酶固定化时的变构，纳米颗粒的布朗运动使纳米固定 化酶和底物频繁碰撞，人幅度捉高催化效率。同样，纳米纤维和纳米孔均能很好地保持酶的活 性。

2、用合适的纳米颗粒和纳米纤维修饰酶，可使酶自组装于汕2水界而，不仅加速了汕2水界 面反应，而r使酶在油2水界面保持稳定。纳米孔还使伴随辅酶再生的多酶催化体系成为可 能。同吋，微反应器的设计使纳米臨的回收利用成为町能，将带来更大的工业应用优势。" 关键词:纳米酶1引言用生物质生产可再生能源、化学品、材料等是世界各国正积极探索的重人课题。人类在 20世纪取得的迅速发展高度依赖于以石油为代表的化石资源的极度开采利用。进入21世 纪，随着石汕资源的枯竭，可再牛牛物质资源的开发是保持社会町持续发展的必经之路。同 时纳米技术在生物的很多方面也有很多应用，并随着科技的发展，对于软件和硬件的要求的 提

3、高，生物和纳米技术都会成为今后的研究璽点。2.1纳米科学技术在腮催化过程中的应用进展酶固定化技术可以在一定程度上解决酶稳定性和重复利用问题，利用在微米级载体上的 酶固定化技术，可以提高酶的稳定性并实现酶的重复利用。但是，酶在固相界面上的固定化 往往会造成酶一定程度的变构，活性降低，同吋固定在载体上的陋少底物z间的接触频率降 低，造成催化效率进一步降低，限制了酶固定化技术研究的更深入开展。同时，纳米颗粒的尺 寸对酶的固定结构有很人的影响，纳米技术和酶技术的结合突破了传统酶固定化的概念， 为酶的稳定固定化研究找到了关键的解决方法。酶在细胞内所存在的环境是一种纳微环境, 包括细胞内的各种固体环境和液

4、体环境均为纳米级和微米级结构，这些纳微环境为细胞内酶 活性的保持起到了重要作用。因此，可以认为纳米颗粒对酶的活性保持冇助于我们进一步了 解细胞内纳微结构和环境対酶活性的影响，为设计仿牛材料和环境提供了新的思路。固定化 后的酶在有机溶剂中也能保持稳定的酶结构，从而保持酶的催化活性。阳这点在先进已经得 到准确的证明。冃前，在工业上获得应用的慕本为单酶体系。冇很多反应体系盂要同时使用醜和辅酶， 而辅晦往往非常昂贵，如果不能使其再生，则难以在实际生产中获得应用。王平等将两种卿 与辅酶共同固定在纳米孔内，辅酚在两种酶之间穿梭，一种酶与辅酚的还原态共催化生成产 物1,另一种酶则与辅酶的氧化态，共催化生成产

5、物。这种设计不仅实现了辅酶再牛，而且 可以同时获得两种重要产站。山于纳米孔尺度小,辅酶依靠热振动就能在两种酶之间穿梭。 同时，纳米孔还能使酚稳定。而fl多酶体系也在生产中冇了一定的应用。2. 2 feqsio2嵌段聚合物复合粒子的制备及药物控制释放行为木文通过多步反应制备了一种新型的、多层结构的、多功能的磁性纳米复合粒子， (fe3o4si02po 1 ymer)。纳米复合粒了内核是磁性fesoi纳米粒了，si()2包裹在fe3o4 能够使 其稳定分散和保护其不被腐蚀氧化；中间层是生物和容的聚天冬氨酸(pasp)载药层；最外 层是亲水的聚乙二醇(peg)稳定层。磁性纳米复合粒子各层都是牛物相容

6、的，利用静电作用 将抗癌药物阿霉素(dox)负载在磁性纳米复合粒子中，通过pasp的ph响应调节了 dox的释 放速率。近年來，磁性纳米材料山于其独特的物理性质在催化剂、磁共振成像、药物控制释放等方血 的应用而受到人们的普遍关注歹役该材料主要是以铁氧化物为主，包括有feq、钻铁氧体 和钻铁合金等，磁性纳米粒了容易团聚和腐蚀氧化，从而影响了其应用。利用共沉淀法制备了分散均匀的磁性纳米粒子feso,(68 nm)；生物相容的硅材料通过 stober法和溶胶凝胶过程对feq进行包覆,得到fcq分散性良好、核壳结构的fe：asio2； 通过酰胺化反应将牛物相容的嵌段聚合物peg-zz-pasp链接在硅

7、球上。2. 3生物芯片材料生物芯片是一个正在发展小的技术，对遗传诊断、物发现及基础研究等方面具有重大影 响，它的发展取决于生物纳米材料。它的主要进展包括两方面：一方面是纳米复合材料在生 物芯片制备方面的应用，增强核酸、蛋白质与片棊z间静态与动态的粘附力，促进小型化、 高分辨率与多功能。冃前，采用化学沉积方法可在芯片片基界而制备0. 4-21am的分子单 层，也可制备042的山顶层、多孔渗水层与底层组成的多功能层。利用场控制的自组织 技术可制备曰动寻址的芯片界面材料。一个新研制的丸状芯片上的实验室装置(由纳米材料 构建的微流系统组成)只需5hi核酸样品，即可诊断疾病。另一方面，生物芯片已拓宽它的

8、应用范围，如植物药冇效成分的高通量筛选，癌症等的 临床疾病诊断，作为细胞内部信号的传感器。结合微电了磁技术，生物芯片已应用于单细 胞分离、单基因突变分析、基因扩增与免疫分析。电场作用下自动寻址的细胞芯片也研制 成功，既可用于基因功能研究与蛋白质亚细胞定位，又可用于监测基因打蛋白质的瞬间表 达叫2.4纳米生物仿生材料纳米仿生材料的研究集屮在力学形变、微结构与功能方面。阐明生物纳米材料的生化过 程、力学形变与运动规律有助于生物仿生材料的设计与制造。例如，坚果壳的结构无论从生 物学或材料科学的角度看都是非常冇趣的。它们的形状结合了授好的材料特性(p： 1.2 一 1. 4mg/m,； young&#

9、39; s modulus e： 1. 5一5gpa； fracture strength off： 150 一 340 mpa； mohrs hardness： 2. 5一5. 0) 在功能方而，既能保护种子对抗外界的破坏，同时乂能确保 种子在发芽期间可从壳内出來。在工业上，坚果壳作为软的抗摩擦物质，用于清洁精确部 件。进一步研究表明，这是由于其内部存在10-20nm h径的草酸钙盐的单层分子结品。这 种生物矿化层的功能可能是：(1)储存大量的钙，满足细胞囊的要求；(2)增强组织的力学性 能，对抗外界的破坏侵袭力。坚果壳提供了过疑储层钙与周期性间隔处理钙的有效机制，在 仿牛材料设计方而具有应

10、用而景。2. 5生物纳米马达生物马达分子也称作纳米机器。它们在肌肉收缩，细胞移动、分化，囊泡转运，信号转 导，dna复制、卷曲与翻译方面起着重要作用。马达分子主要分为actin网络、kinesin 与dynein超家族和与dna相互作用的蛋白质。通过atp水解，化学能彼转化为机械能，导 致马达分子构像发牛改变，引起马达分子运动何。人们己经详细研究了这些马达的详细结构 与它们的运动轨迹，但是马达分子的牛物力学机制仍然不太清楚。在此领域进行研究有助 于纳米装置动力的发展。3生物纳米材料的发展前景生物纳米材料科学已展示出激动人心的前景。gt领域最终目标是在纳米水平制造功能性 生物材料。探索生物纳米材

11、料可以更好地理解生命科学与材料科学交义领域的根木原理。这 些原理可用于设计与制造各种纳米装置。生物纳米材料已有了巨大的商业市场。生命科学产 品在全球创造了每年1000亿美元的利润，据英国纳米技术研究所统计，目前纳米特征的产 品只占总量的1%,随着牛物纳米技术的快速发展，这个百分数在不远的未来将呈指数增长 f，1o研究开发新产品的驱动力i益增强，对生物医学的创新正越来越集中在纳米技术与传统 技术的整合方面，在不远的将來，纳米装置将很可能改变我们的牛活。参考文献1 j ia h, zhu gt wang p. catalyti c behav i or s of enzymes a tt ache

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