Нанофер — искусственный фермент на основе наночастиц¶

Нанофер — обобщающее название класса искусственных наноструктурированных катализаторов, имитирующих свойства природных ферментов. Термин образован от слов «нано» (наночастица, наноматериал) и «фермент» и применяется преимущественно к наночастицам металлов, оксидов металлов и углеродных материалов, которые проявляют ферментоподобную каталитическую активность. В англоязычной литературе для таких систем чаще используется термин nanozyme (нанозим), тогда как «нанофер» встречается в русскоязычных публикациях и патентах.

¶Определение и место в науке

Наноферы относятся к области нанокатализа и биоимитирующих (биомиметических) материалов. Формально их определяют как наноразмерные частицы или наноструктуры, способные катализировать реакции, аналогичные тем, что ускоряются природными ферментами, — прежде всего окислительно-восстановительные. Ключевое отличие от настоящих ферментов — отсутствие белковой структуры: активный центр формируется на поверхности наночастицы за счёт её кристаллографических дефектов, координационно ненасыщенных атомов и электронных свойств.

Понятие близко к терминам «искусственный фермент» (artificial enzyme) и «наноразмерный катализатор». В отличие от молекулярных имитаторов ферментов (например, циклодекстриновых или порфириновых комплексов), наноферы имеют не молекулярную, а коллоидную или твёрдофазную природу.

¶История изучения

Первые наблюдения ферментоподобной активности наночастиц относятся к концу 1990-х — началу 2000-х годов. В 2007 году китайские исследователи описали пероксидазоподобную активность наночастиц оксида железа Fe₃O₄, что положило начало систематическому изучению наноферов. Термин nanozyme был предложен в 2013 году и быстро закрепился в научной литературе. С середины 2010-х годов число публикаций по теме растёт экспоненциально, а сам класс материалов выделился в отдельное направление на стыке нанотехнологий, аналитической химии и биомедицины.

¶Классификация

Наноферы классифицируют по химической природе активного компонента и по типу катализируемой реакции.

По составу выделяют:

• Металлические наночастицы — золото, серебро, платина, палладий; часто проявляют оксидазную и пероксидазоподобную активность.
• Оксиды металлов — Fe₃O₄, CeO₂, MnO₂, Co₃O₄; наиболее изученный класс, сочетающий катализ с магнитными свойствами.
• Углеродные наноматериалы — фуллерены, углеродные нанотрубки, графен и его оксиды, квантовые точки.
• Композиты и допированные структуры — гибриды металл-углерод, наночастицы на подложках, металл-органические каркасы.

По типу активности различают пероксидазоподобные, оксидазоподобные, каталазоподобные, супероксиддисмутазоподобные и другие типы наноферов.

¶Механизмы действия

Каталитическая активность наноферов обусловлена несколькими факторами:

• наличием поверхностных дефектов и координационно ненасыщенных атомов, которые служат активными центрами;
• способностью к переносу электронов между субстратом и поверхностью частицы;
• генерацией активных форм кислорода (гидроксильных радикалов, супероксид-аниона, пероксида водорода);
• размерным эффектом — уменьшение размера частиц увеличивает удельную поверхность и долю поверхностных атомов.

В отличие от белковых ферментов, наноферы не обладают строгой субстратной специфичностью и обычно катализируют несколько типов реакций одновременно. Это одновременно и ограничение, и преимущество: универсальность расширяет применение, но снижает селективность.

¶Свойства и преимущества

По сравнению с природными ферментами наноферы обладают рядом практических достоинств:

К недостаткам относят меньшую специфичность, возможную токсичность некоторых наноматериалов и трудности воспроизведения свойств от партии к партии.

¶Применение

Наноферы применяются в нескольких прикладных областях.

Аналитическая химия и биосенсоры. На их основе создают сенсоры для определения пероксида водорода, глюкозы, аскорбиновой кислоты, а также иммуноанализы с колориметрической и флуоресцентной детекцией.

Биомедицина. Рассматриваются как агенты для антиоксидантной терапии, подавления опухолевого роста, бактерицидной обработки. Оксид церия CeO₂ исследуется как средство защиты клеток от окислительного стресса.

Экология. Используются для разложения органических загрязнителей, деградации красителей в сточных водах, детоксикации пестицидов.

Промышленный катализ. Ряд наноферов применяется в реакциях окисления, восстановления и разложения пероксидов.

¶Ограничения и критика

Основные претензии к концепции наноферов касаются терминологической строгости: часть исследователей считает некорректным называть ферментами структуры, не имеющие белковой природы и не обладающие субстратной специфичностью. Отмечается также, что механизмы катализа на наночастицах изучены недостаточно, а результаты разных лабораторий плохо воспроизводятся из-за различий в методах синтеза. Вопросы биосовместимости и долговременной стабильности наночастиц в организме остаются предметом активных исследований.

¶Перспективы

Направление развивается в сторону создания селективных наноферов с управляемой активностью, в том числе с использованием допирования, наноструктурирования и гибридизации с биомолекулами. Отдельный интерес представляет сочетание наноферов с микрофлюидикой и портативными аналитическими устройствами.