前言

科技發展的最終目的是希望促進人類生活的福祉，過去在發展的過程中常常忽略了對環境的影響，因此對我們居住的環境造成了一些不可逆的影響。化學的本質是研究物質的變化，對科技的發展扮演著舉足輕重的角色，如用句通俗的語句詢問，現在流行什麼？大多數人腦海中最先浮現的可能是「新冠肺炎」，在從化學的角度來看，「流行」也許不是合適的用語，但研究的方向也會隨著需解問題的迫切性隨著演變，近年科學研究方向正朝向[綠色]、[永續]邁進，希望能夠用對環境友善的試劑，更有效地提升反應效率，在創新之餘，以符合綠色化學原則的方式降低對環境的衝擊。

怎樣是最好能解決上述問題的做法呢？這個問題會有許多不同的答案，師法自然-也就是「仿生」會是其中之一。經過長時間的演化，自然界各種生物早已發展出最有效率、適合生存的一套方法。提到「仿生」，最常被討論的有蜘蛛絲，蜘蛛絲很輕，由二種蛋白晶體組成，具有高強度及韌性，是科學家喜歡研究的仿生材料之一（泛科學，20220920檢索）；市面上有仿生機器人及仿生機器狗，可以自由操控，模仿人或狗的行為，這些都大家比較熟悉的仿生案例，到底仿生的定義是什麼？簡單地說，仿生就是模仿大自然，受大自然的啟發所開發出的材料、型態、過程及性質等（臺灣仿生科技發協會網站，20220920檢索），除了蜘蛛絲，仿生學家最常研究的大自然現象包括蓮葉之自潔效果、蝙蝠海豚活動時定位的方式、蝴蝶翅膀的顏色等。從尺寸上來說，仿生機器人及機器狗是比較大的物件，蜘蛛絲可以很長，但直徑就小多了，尺寸再小一點，就到了奈米等級的材料及結構，可以做為科學家研究的題材，例如奈米酵素（Nanozyme）。以下將以奈米酵素為主題，介紹奈米世界中的仿生材料。

 奈米酵素（Nanozyme）的前世今生

化學反應是原子間重新排列及組合，不容易進行的反應需要催化劑，降低反應活化能，才能快速地得到產物。生物體中進行的反應類型與試管燒杯中的反應類似，但所使用的催化劑是生物分子（Biomolecule）-酵素，酵素多半是由胺基酸所組成的蛋白質，就像是長長的項鍊，摺疊成正確的形態後就形成自然界最有效率的催化劑，受質在酵素的活性中心（Active center）進行反應，反應完後酵素釋出產物，回復到原來的形態，又可以再進行下一次的催化，也因為有活化中心，所以天然酵素的專一性佳。這是催化劑的特性，如能使用適合的催化劑，可以節省反應時所需要的時間、能量，提高反應的效率，不需要加入過量的反應物，結省試劑用量，開發高效率的催化劑是實踐綠色化學的重要項目，天然酵素當然也就成為開發催化劑時可以模仿的對象。

什麼是「奈米酵素」？顧名思意，奈米酵素模仿的是生物體中的酵素，奈米酵素是具有酵素活性的奈米材料（Huang et al. 2019），這樣的材料可以取代酵素，催化相似的化學反應。在形態及組成方面，奈米酵素與蛋白質及核糖酵素（Ribozyme）不同，但一樣是高效率、可催化相似的生化反應，因此從功能及性質的角度而言，奈米酵素也可以算是一種仿生材料。

奈米酵素屬於人工酵素的一種，以奈米尺度為基礎所合成出的人工酵素，因奈米材料的比表面積大，表面的原子與塊材表面的原子相比，較易進行反應，奈米酵素因此在過去十多年中蓬勃發展，越來越受到重視，圖一說明了奈米酵素發展的歷史（Das et al. 2021），從圖中可以清楚地看出隨著時代演進而產生的三大類酵素，自然界中原有的酵素，也就是天然酵素、人工酵素（Artificial enzyme）及奈米酵素。最早威廉‧屈內（Wilhelm Kühne）在1878年時創造了Enzyme這個名詞，接下來在1926年，美國的化學家詹姆斯‧薩姆納（James B. Sumner）純化尿素酶（urease）時結晶出第一個酵素，並證明這個酵素是蛋白質。有很長的一段時間，科學家認為酵素都是蛋白質，直到1989年托馬斯‧切赫（Thomas R. Cech）證明了核糖核酸具有催化反應的功能，自然界中的酵素不再只是蛋白質，也因此有了核糖酵素（Ribozyme）這個名詞。過程中酵素的種類越來越多，但天然酵素有其限制，科學家試著開發與蛋白質、核糖核酸這些生物高分子不同的人工酵素，在1970年Ronald Breslow定義了人工酵素這個名詞，接下來在2004年就出現了奈米酵素這個名詞。奈米酵素的起源與金奈米粒子的催化活性有關，古今中外都將黃金視為貴重金屬，因其穩定性佳，被做成飾品長期保存。這是在巨觀世界中塊材的特性，但當黃金小到奈米的尺寸時，其性質就與塊材大不相同，開始有了催化的能力，1987年Haruta的團隊發現了金奈米粒子在低温下能讓一氧化碳氧化，這樣的結果啟發了Scrimin、Pasquato及其團隊，在2004年發現金奈米粒子與氧化酶及核糖核酸水解酶（Ribonuclease，RNase）相同，能催化同類別的反應，創造出奈米酵素這個名詞，圖一顯示出奈米酵素的種類及所催化的反應。


圖1. 奈米酵素的發展歷史
▍ 資料來源：Das, B.; Franco, J.L.; Logan, N.; Balasubramanian, P.; Kim, MI.; Cao, C. Nanozymes in point-of-care diagnosis: an emerging futuristic approach for biosensing. Nano-Micro Lett.2021, 13:193.

 天然酵素？奈米酵素？超級比一比

既然天然酵素是這麼好的催化劑，大量生產化合物時不就可以直接使用嗎？科學家為什麼還需要模仿天然酵素，合成出人工的酵素呢？這是因為酵素有先天性的限制，天然酵素有不耐高温、穩定性較差、適用的酸鹼度範圍窄、可循環再利用的次數較少及大量生產時所需的費用較高等缺點（Liang and Yan 2019；Ballesteros et al. 2021）。為了讓酵素有良好的催化活性，反應温度及酸鹼度必需控制在特定的範圍，温度太高，酵素會因變性而失去活性，太低則反應速率慢；酸鹼值太高或太低，也會使反應變慢，甚至使其變性、失去活性。有些酵素的穩定性差，除了容易變性外也容易被分解，因此不利於長期保存及運輸。相較於天然酵素，奈米酵素没有以上的問題。在專一性方面，因奈米酵素没有活化中心，所以需要有巧妙的設計來增加專一性。除此之外，奈米酵素還有許多天然酵素缺乏的優點，表一列出奈米酵素在物理/化學性質及活性上的優勢。

表1. 奈米酵素在物理／化學性質及活性上的優勢

▍ 資料來源：1. Liang, M.; Yan, X. Nanozymes: from new concepts, mechanisms, and standards to applications. Acc. Chem. Res. 2019, 52, 2190-2200. 2. Ballesteros, C.A.S.; Mercante, A.A.; Alvarenga, A.D.; Facure, M.H.M; Schneider, R.; Correa, D.S. Recent trends in nanozymes design: from materials and structures to environmental applications. Mater. Chem. Front. 2021, 5, 7419.

 奈米酵素的種類

符合奈米酵素定義的奈米材料包括金屬氧化物、金屬及含碳的有機化合物，除單一材料外也有複合材料；所對應的天然酵素包括過氧化酶（Peroxidase）、超氧化物岐化酶（Superoxide dismutase）、氧化酶（Oxidase）及過氧化氫酶（Catalase）（Huang et al. 2019；Das et al. 2021）。圖二為奈米酵素模仿的天然酵素及催化的反應類別。


圖2. 奈米酵素模仿的天然酵素及可催化的反應範例。反應時因電子轉移而產生超氧陰離子。
▍ 資料來源：Das, B.; Franco, J.L.; Logan, N.; Balasubramanian, P.; Kim, MI.; Cao, C. Nanozymes in point-of-care diagnosis: an emerging futuristic approach for biosensing. Nano-Micro Lett.2021, 13:193.

表二為奈米酵素的分類方式，整理出常見奈米酵素的種類及仿生類別（Wong et al. 2021）。第一類的奈米材料是模仿天然酵素活化中心的金屬錯合物，例如Gao團隊在2007年所合成的氧化鐵奈米粒子（Fe3O4）與 山葵過氧化酶 （Horseradish peroxidase，HRP）活化中心的鐵-血基質錯合物（Iron-heme complex）相仿，具有過氧化酶的活性；第二類的奈米材料形態及材料都與天然酵素不同，但功能相同，催化相同類形的反應，例如金奈米粒子，Rossi團隊的研究結果證明了3.6 nm大小的奈米粒子與葡萄糖氧化酶（Glucose oxidase）相同，具有催化葡萄糖氧化的活性。奈米粒子表面容易被修飾進而改變所帶的電核，藉由調節pH值，可以調整金、銀、鉑及鈀等奈米粒子的催化活性，讓這些酵素在酸性的狀況下具過氧化酶的活性，在鹼性環境中則具有過氧化氫酶的活性。這類的材料中還包括了富勒烯（Fullerene）、碳量子點（Carbon quantum dots）、氧化石墨烯（Graphene oxide）及奈米碳管（Carbon nanotubes）等有機化合物，研究顯示碳量子點具與過氧化酶相似的催化活性。第三類是第一及第二類材料的結合，還包括了金屬有機框架材料（Metal-organic framworks，MOFs），由金屬離子及有機化合物鏈結組成三維的孔洞結構，過渡金屬做為催化劑，孔洞可做為受質的結合位，有效地催化對應的生化反應。合金屬於第四類的奈米酵素，結合二種金屬，使這類的奈米材料具有二種金屬協同效應所產生的特殊性質，藉由調整金屬的比例達到調控催化劑活性的目的。

表2. 奈米酵素的種類及仿生類別

▍ 資料來源及圖片出處
Wong, E.L.; Voung, K.Q.; Chow, E. Nanozymes for environmental pollutant monitoring and remediation. Sensors 2021, 21, DOI: 10.3390/s21020408.

 Nanozyme的製備方法

隨著奈米科技的演進，己發展出各種合成奈米材料的技術，以金屬奈米粒子為例，如從金屬離子開始，需要還原劑及覆蓋劑才能合成出各種不同形態及大小的奈米粒子，還原劑及覆蓋劑可以是特定的化合物，如檸檬酸鈉，或者使用較符合綠色化學及永續原則的合成方法，例如可以利用生物體，培養細菌、真菌、酵母菌、藻類等，合成奈米粒子。這一種方法因需製備培養基進行培養，再由生物體中純化分離出奈米粒子，步驟較為繁複、耗時，且較難控制所得奈米粒子的大小及形態。另外可以用植物萃取物做為還原劑及覆蓋劑合成出所需之奈米粒子，因植物中有大量的多酚、類黃酮、花青素等植物性化學成分，還有生物鹼、胺基酸及蛋白質等，可同時提供還原劑及覆蓋劑。合成時調整所加入植物萃取物的比例、酸鹼度、及温度等，可以調控奈米粒子的大小及形態，與利用單一化合物所合成出來的奈米粒子相比，雖然其大小及形態分佈較廣，但因可以大量製備萃取物，使用對環境友善的試劑，合成時不需要高温，在室温下就可進行，節省能源，因此這樣的合成方式仍有相當的發展性。除了金屬奈米粒子外，植物萃取物也可以用來製備奈米等級的金屬氧化物。圖三是用植物萃取物合成奈米材料的示意圖。


圖3. 以植物萃取物合成奈米材料示意圖

 奈米酵素的應用

奈米酵素的應用性非常廣範，從分析檢驗、環境處理到生物醫學等，在生物醫學的領域應用除抗菌、疾病治療、影像醫學及癌症治療外，也常用於檢驗生物分子、細菌等，可做為疾病診斷之用，甚至延伸至即時檢測（Point of care）（Huang et al. 2019；Ballesteros et al. 2021）。在分析檢驗方面可用在重金屬、農藥、食品中攙雜物及毒素之檢測等；在環境方面，奈米酵素除了可以用來檢測及分解水中有機污染物外，還可以做為抗微生物及防沉積之試劑。表三整理出奈米酵素在各領域的應用，以下將以横向流動分析法（Lateral flow assay）檢測牛奶中的大腸桿菌為例，說明奈米酵素在即時檢測之應用（Han et al. 2018）。

表3. 奈米酵素在各領域的應用

▍ 資料來源：Huang, Y.; Ren, J.; Qu, X. Nanozymes: classification, catalytic mechanisms, activity regulation, and applications. Chem. Rev. 2019, 119, 4357-4412.

檢測時將牛奶樣品與表面帶有能辨認大腸桿菌單株抗體之Pd-Pt奈米粒子混合，加入樣品注入口（A處），因毛細現象混合物開始流動，樣品中如有大腸桿菌，大腸桿菌會與Pd-Pt奈米粒子結合，流到測試區域（B處）時，因B處已經先修飾了另一種可以辨識大腸桿菌之抗體，此時有大腸桿菌的Pd-Pt奈米粒子會被滯留在B處，没有大腸桿菌的Pd-Pt奈米粒子會流到C處與另一抗體結合，最後再加入TMB及過氧化氫，此時便利用Pd-Pt奈米粒子的催化活性，將没有顏色的TMB氧化，形成藍色的產物，因此牛奶中如有大腸桿菌就會出現二條藍色的線。


圖4. 利用Pd-Pt奈米粒子以横向流動分析法偵測牛奶中大腸桿菌示意圖。
▍ 資料來源：Han, J.; Zhang, L.; Hu, L.; Xing, K.; Lu, X.; Huang, Y.; Zhang, J.; Lai, W.; Chen, T. Nanozyme-based lateral flow assay for the sensitive detection of Escherichia coli O157:H7 in milk. J. Dairy Sci. 2018, 101, 5770-5779.

 未來發展

未來奈米酵素的發展及應用不可限量，隨著新材料的開發，並利用奈米材料獨特的性質，希望奈米酵素能取代天然酵素，降低在應用時所需的其他試劑，達到防廢、減量的目的；在製備奈米酵素方面，可以使用對環境友善的試劑，符合保安及低毒的要求；最後再強化奈米酵素的催化活性，又可以降低奈米材料的用量。雖然奈米酵素的功能佳，但人類應用奈米材料的時間不算長，在應用之餘，也需要考慮奈米材料的安全性及對環境的影響，才不會在未知的狀況下造成不可逆的衝擊，這樣才能真正達到永續發展的最終目的。