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每月新书--新书访谈致力于邀请各学科的作者为读者介绍最新出版的新书以及他们所在研究领域的工作。作为第一期新书访谈，Springer很荣幸邀请到阎锡蕴院士来介绍由她主编的新书《纳米酶学》（点击进入图书主页）以及发现纳米酶背后的故事。

作者介绍

阎锡蕴，中国科学院院士、中国科学院纳米酶工程实验室主任、中国科学院生物物理研究所研究员、中国科学院大学教授。研究方向为肿瘤生物学与纳米生物学。她的研究团队提出了纳米酶新概念，揭示了无机纳米材料的酶学特性，制定了纳米酶术语和标准化，发明了纳米酶新技术，开拓了纳米酶研究新领域。作为创始人，她主持了“纳米酶”香山会议，建立了 “中国科学院纳米酶工程实验室”和 “中国生物物理学会纳米酶分会”。在应用研究方面，她们基于纳米酶的双功能特点，巧妙设计了多项纳米酶新技术，授权发明专利40余件，部分专利已经在欧洲、美国、日本授权，并实现成果转化，创建了“纳么美”公司。其中，快速检测新技术作为全球首个纳米酶产品，于2018年获得医疗器械证书，用于肿瘤和传染病诊断。研究成果曾两次入选中国十大科学进展，获国家自然科学奖二等奖和Elsevier Atlas国际奖。荣获全国创新争先奖、谈家桢生命科学成就奖、全国三八红旗手标兵等荣誉称号。

关于本书

《Nanozymology》（点击进入图书主页）

英文著作《Nanozymology》是由阎锡蕴院士主编，一批从事纳米酶研究的专家共同撰写。该书作为纳米科学与酶学之间的桥梁，生动地介绍了纳米酶是如何被发现的、纳米酶新概念及其独特的催化特性。纳米酶催化既不同于化学催化剂，也不同于纳米载体固定化酶，它是一类蕴含酶学特性的纳米材料所产生独特的纳米效应---催化活性，能够在生理条件下催化天然酶的底物，表现出类似天然酶的酶促反应动力学和催化机理，并可以作为酶的替代品，用于人类健康，属于新一代人工模拟酶。全书共分为三部分：第一部分介绍了纳米酶的基本概念及特性；第二部分介绍了纳米酶的种类；第三部分介绍了纳米酶的应用研究，包括传染病检测、肿瘤、脑梗、神经退行性变性等重大疾诊断和治疗，以及抗耐药菌和环境监测、治理等。此外，作者还介绍了纳米酶学，以及这一新领域存在的挑战、机遇及诱人的前景。

作者专访

Q：您可以简单讲述为什么选择成为一名纳米生物学家，职业生涯中对您印象最深的事情是什么？

说实在的，“纳米生物学家”真不是我的选择。确切地说，是我在科研探索路上的一次偶遇。

在我的科研生涯中，得遇恩师贝时璋院士，是此生幸甚之事。我大学毕业后，有幸进入中科院生物物理研究所，在贝先生实验室工作了六年（1983-1989）。贝先生是我国生物物理学的奠基人，是积极推进学科交叉的先行者。对我印象最深的事情，是贝先生精益求精、实事求是、敢为人先的科学精神。这种精神一直影响着我30余年的科学生涯。

另外，我从临床医学转到纳米生物学，也得益于我在人生的几次选择中，放弃舒适，挑战自己。我从医学院毕业后，本应该去医院工作。然而，一个偶然的机会让我选择了放弃，开始在中国科学院生物物理所从事基础研究。刚开始很吃力，经过 6 年多的艰苦努力之后，逐渐胜任，当将要晋升为副教授时，我又选择了放弃，想去外面看看世界。于是赴德国留学，使自己再次清零。当我克服德语和专业双重压力，在德国海德堡大学获得博士学位之后，我谢绝了德国导师的挽留，选择了回国创业。尽管每次清零，都会面对很多的困难和压力，但也带来新的机遇和希望。

Q：我们知道您在2007年时首次发现四氧化三铁（Fe3O4）纳米颗粒可以模拟天然的辣根过氧化物酶。您能为我们介绍一下纳米酶的发现过程吗？

纳米酶的发现，说是偶然，也是必然。所谓必然，一方面是有孕育科学发现的土壤，另一方面是有实事求是的精神。早在二十一世纪初，我国纳米生物学兴起，国家科技部、基金委、中科院都在组织多学科交叉重大研究计划。时任所长饶子和院士，在生物物理研究所创建了交叉中心。每逢周五，在轻松的下午茶氛围中，举办多学科交流活动，邀请不同学术背景的科研人员聚到一起“头脑风暴”，使我有机会接触纳米科技，并结识了生命科学领域之外的合作者。例如， 2003年非典大流行时，我与物理学家解思深院士合作，在国际上首次报道SARS病毒的超微结构，为其疫苗和抗体的制备提供了重要信息。后来，我又陆续结识了更多从事化学、材料和物理方面的科学家，也曾作为肿瘤免疫学家参与顾宁教授领衔的国家973纳米科技重大项目。

纳米酶，正是在这种学科交叉的大背景下诞生的。当时我与物理所王太宏教授设计了一个简单的实验，想发展一种新型肿瘤探针分子，即把我们研制的肿瘤特异性抗体AA98与王教授提供的纳米磁珠偶联到一起，这项工作由双方的博士生高利增和聂棱具体执行。出乎意料，实验结果与我们的预期截然相反，原本作为阴性对照组的纳米粒子，竟然如同天然酶一样，催化酶的底物并产生与天然酶类似的颜色反应。

最初我们怀疑，这种现象可能是反应体系中的某种污染所致。为了排除污染和人为因素，我们做了大量的实验，并请三位研究生背靠背同时做个实验，然而结果却依然如此。

面对这样一个事实，我们开始大胆的猜测，难道是纳米粒子本身具有类似天然酶的催化活性？这种想法在当时看来很不靠谱。因为无机材料一直被视为惰性物质，怎么会有类似酶的催化功能呢？

然而，在排除各种干扰因素之后，这也许是唯一合理的解释。

为了验证这一现象是否具有普遍性，我们选择来自不同实验室的磁铁纳米材料（南京顾宁实验室，上海崔大祥实验室，北京王太宏实验室）。结果证明，这些纳米材料都蕴含类似过氧化物酶的催化特性。有趣的是，它们能够分别与过氧化物酶的三种底物反应（TMB， OPD，DAB），产生与天然酶完全相同的颜色反应。

进而，我们开始探索，为什么这种无机纳米材料能催化酶的底物？于是，联合不同领域的专家（酶学/Sarah Perrett教授、物理/顾宁教授、化学/张宇教授、材料/王太宏教授）一起开展合作。第一次从酶学角度，系统研究了其催化效率、酶促反应动力学和最适反应条件，并且把它作为天然酶的替代物，研究其在疾病诊断中的意义。研究结果于2007年发表在Nature Nanotechnology杂志上，该文被视为纳米酶研究的奠基之作。

上述工作发表之后，迅速吸引了不同学科的科学家开展纳米酶的研究。经过近十年的发展，纳米酶材料类型越来越多。为了定义其催化活性并准确比较纳米酶活力，我们引入了酶比活的概念和检测方法。该方法已经成为纳米酶标准化的重要参考，被国际同行广泛采用（Nature Protocols, 2019）。同时，纳米酶术语的制定，为该领域提供了规范的概念和方法，奠定了纳米酶学的基础。

Q：在研究纳米酶过程中，想必会有各种挑战，您（和您的团队）又是如何一一克服这些困难的？

我们面临的第一个挑战，就是如何给这类“神奇的纳米材料”取个名字。最初给的名字很长，我们总想让这个名字能够完整的体现其所有特性，如纳米材料类酶催化活性、纳米效应、纳米材料模拟酶等等。最后，大道至简，将其命名为“纳米酶”。这主要是参考以往“非蛋白质催化物质”的命名规律，例如DNA酶、核酶、抗体酶。纳米酶，其中的“纳米”不仅是指“纳米材料”，还包含“纳米效应”，它是一类蕴含酶学特性的新材料。

还有来自化学界的质疑。例如，纳米酶不就是常见的芬顿（Fenton）反应吗？有趣的是，我们不懂化学，完全从一个新的视角（酶学）去研究，证明这不是芬顿反应。因为芬顿反应是游离铁离子介导的化学催化，而纳米酶的催化是发生在纳米粒子的表面，不是从中释放的铁离子所致。它的催化是由特定纳米结构中原子介导的，与天然酶催化活性中心的结构更为相似。另外，纳米酶催化的是天然酶的底物，其酶促反应动力学和催化机制与天然酶相似，对底物具有选择结合能力，而且能够作为天然酶的替代品，用于人类健康。因此，纳米酶是一种新型模拟酶。

另外，还有人疑惑，如“纳米酶”与“纳米载体固定化酶”有何不同？在酶工程领域，纳米载体固定化酶是一种常见的技术，是将天然酶组装到纳米材料的表面，目的是为了提高天然酶的稳定性。其中，纳米材料发挥支撑作用，而催化功能来自天然酶。然而，纳米酶则不同，它是纳米材料呈现出的一种不可预见的类酶催化活性，无需在其表面修饰任何天然酶或催化剂，这是一种纳米效应，也是纳米科学研究的核心问题。

过去，研究纳米效应主要集中在光、声、电、力等物理学。例如，闪蝶翅膀美丽的色彩不是色素，而是光在纳米结构上产生的纳米效应。另外，隐形飞机的涂层也是利用纳米结构所呈现出奇特的“吸收声波”的纳米效应。然而，纳米酶是人类科学史上第一次发现物质在纳米尺度呈现出不可预测的酶学特征。纳米酶的出现使人们对纳米效应的认知从物理学拓展到生物学。同时，它也丰富了纳米生物学的内涵，使其从研究“生物与纳米材料”相互作用，发展到研究纳米材料本身的生物效应。这不仅拓展了纳米材料在生物医学中的应用，还为人工模拟酶研究提供了新思想和新材料，更是为纳米生物学开启了新的研究方向。这是纳米酶的魅力所在。

总之，纳米酶，如同其他新生事物一样，在刚刚出现时必然接受一些质疑和挑战。这是好事，正是由于这些不同的声音，才使得我们深入思考，建立更多更有效的研究方法，去探究纳米酶的催化机制，完善其理论体系。在此，我对所有支持、鼓励、帮助和质疑纳米酶的领导、专家与合作者，表示衷心的感谢。

Q：目前国内外纳米酶研究现状？

如今，纳米酶新概念被越来越多的学者接受，已经纳入生物物理词典和中国大百科全书。纳米酶的研究论文呈指数生长，全球已有30多个国家的300多个实验室报道了900多种不同纳米材料的纳米酶。有关类酶活性的种类也在不断增加，从氧化还原酶扩展到水解酶、裂合酶和异构酶；纳米酶的应用研究也拓展到了生物、医学、农业、环保等多个领域，逐步成为纳米生物学研究的新方向和研究热点。

纳米酶是我国科学家原创和领跑的新领域。目前，我国科学家发表论文数量占比高达70%，高引用论文占比高达80%，单篇被引用2000次以上的论文均来自于我国科学家。可喜的是，我国有一批多学科（从事化学、物理、理论计算、材料、医学、酶学、生物），且具有国际影响的科学家从事纳米酶研究。例如，汪尔康院士团队在国际著名期刊《Chemical Society Reviews》发表35页的长篇综述，题为“Nanozymes: Next-Generation Artificial Enzymes”从此“Nanozyme”作为纳米酶的英文专属名词，逐渐被科学界接受。今年2月出版的首部英文著作《Nanozymology》是一批从事纳米酶研究的专家的集体智慧与共识。

我国在纳米酶研究方面领先的势头，得益于我国政府的重视与支持。2017年，我国第606次香山会议，以“纳米酶：中国原创领域的机遇与挑战”为主题。一批国内外知名学者来自于生物、化学、材料、物理、医学、理论计算等多个领域，如汪尔康院士、包信和院士、董绍俊院士、赵宇亮院士、张先恩教授、施剑林院士、樊春海院士、顾宁教授、许海燕教授等，与一批优秀的青年科学家开展热烈讨论，明确了未来纳米酶研究的关键科学问题。

我国科技部、中科院、国家基金委也先后组织纳米酶重点项目。2019年，成立了 “中国科学院纳米酶工程实验室”和 “中国生物物理学会纳米酶分会”。此外，魏辉教授从2018年起，连续组织美国化学会年会的纳米酶分会，积极推动纳米酶研究的国际交流与发展。

Q：纳米酶作为典型的交叉学科，是否有可能解决关键技术问题？

是的，纳米酶问世之后，之所以引起广泛关注。其中一个重要的原因，就是希望通过纳米酶这种新材料，克服天然酶不稳定和传统模拟酶催化效率低的局限性，实现模拟酶在医药、健康、环境等领域的广泛应用。

我们知道，酶是维系生命活动、参与新陈代谢的重要生物催化剂。此外，酶在疾病诊断和治疗、工业催化、药物合成、环境处理等领域都发挥重要作用。然而，由于酶的化学本质主要是蛋白质，在酸、碱、热、高压等非生理环境中，容易变性失活。为了解决这一问题，科学家从不同领域做了多方面的努力。例如， 2018年诺贝尔化学奖得主Frances H. Arnold采用酶定向进化技术，以提高酶的稳定性和催化效率。此外，还有载体固定化酶技术、有机分子人工酶等等。基于上述技术，虽然酶的稳定性和催化效率在一定程度上提高了，但是始终难以同时实现高效、稳定和大规模生产的结合，来满足实际需要。

纳米酶作为新一代人工模拟酶，与传统模拟酶不同，具有复杂的纳米结构和特殊的纳米效应，使得纳米酶建有刚性（纳米结构）和柔性（类似酶活性中心）。因此，纳米酶具有可设计、可调节、多功能性等特点。如果将这些特点巧妙结合起来，有望创造与天然酶功能相同，但比天然酶稳定、经济、可大规模生产的纳米酶。

例如，2020年8月科技部国家重点专项计划“变革性技术关键科学问题”中，有个项目是研究纳米酶高效催化血糖传感体系。该项目拟解决目前血糖检测传感器存在的短板问题。血糖检测传感器需要葡萄糖氧化酶和/或过氧化物酶，但是受限于这些天然酶的稳定性，血糖传感检测产品有效期较短，受环境影响检测误差大，具有类葡萄糖氧化酶或过氧化物酶活性的纳米酶有望提高传感检测器的性能。

在检测技术方面，如临床诊断、传染病、海关检查、农业、畜牧业、环境与国防，常用的辣根过氧化物酶或碱性磷酸酶，主要是从国外进口，另外需要低温保存运输。如果能用纳米酶取代，不仅能摆脱对进口酶制剂的依赖，还能大幅降低成本，提高酶制剂的稳定性。

目前，我们已经研制出过氧化物酶纳米酶试纸条检测技术，用于新冠病毒、埃博拉、流感病毒、肿瘤标志物的快速检测。该技术简单、稳定、成本低，灵敏度比传统试纸条高10倍。这种纳米酶新技术，于2018年获得医疗器械证，并获得爱思唯尔Atlas国际奖。

Q：现如今，纳米酶已经逐渐有了自己明确的内涵和外延，并逐步发展成涉及材料学，生物学，化学，医学等多领域的前沿交叉学科研究，相信会有更多的学者加入到纳米酶的研究队伍中。您可以谈谈未来纳米酶研究的发展趋势吗？以及您有什么建议给他们吗？

随着纳米酶研究的不断发展，其研究内容也逐渐深入。在早期阶段，纳米酶的发现大多数是随机观察的，现在已经进入理性设计阶段。同时，纳米酶的应用研究也从体外检测，扩展到体内治疗，如肿瘤催化治疗、抗菌、抗氧化等。2020年2月出版的《Nanozymology》 介绍了纳米酶学这一独特领域的形成。我认为，纳米酶研究的发展趋势，有以下几方面：

（1）深入探索纳米酶催化的本质，创立新的研究方法，揭示其理化性质与催化特性之间的内在联系，完善纳米酶催化理论体系；

（2） 研究天然纳米酶的结构与功能，探讨纳米酶与生命起源；

（3）效法自然，把天然酶的催化机制与单原子催化和限域效应结合起来，设计理性设计刚柔并济的纳米酶，使其催化活性和选择性能与天然酶比美，然而比天然酶稳定、经济、多功能，实现纳米酶产品独特而不可替代的广泛应用，如纳米酶传感器，基于纳米酶的纳米机器人等等；

（4）鉴于纳米酶多学科交叉的特性，以往的PI制已经不能满足纳米酶发展，需要探索新的研究模式，发展纳米酶产、学、研一体化研究体系。例如，2019年成立中国科学院纳米酶工程实验室，2020年郑州大学成立纳米酶医学研究中心， 已经吸引一批优秀的青年科学家，能够在一个平台上，探索纳米酶催化机制，巧妙设计纳米酶，使其造福人类。

*感谢阎锡蕴院士及其团队提供以上访谈内容。

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