ナノザイムの紹介

天然酵素は、生体内の生物反応において重要な役割を果たしています。しかし、変性しやすい、調製が手間である、高コスト、再利用が困難など、いくつかの本質的な欠点が実用化を制限しています。これらの問題を解決するために、「人工酵素」と呼ばれる天然酵素の代替物の開発に多大な努力が注がれてきました。人工酵素の新たな研究分野として、酵素様特性を持つ触媒性ナノ材料であるナノザイムは、研究者たちの大きな注目を集めています。

ナノザイム研究の歴史

天然酵素は、ほぼすべての生体内反応において中心的な役割を果たす遍在する生体触媒です。天然酵素は、穏やかな条件下で驚異的な効率と卓越した特異性で反応を触媒するため、生体外でもさまざまな応用が広く研究されてきました。一方で、天然酵素はタンパク質やリボ核酸で構成されており、変性しやすい、調製が手間である、高コスト、再利用が困難など、いくつかの本質的な欠点を持っています。これらの欠点が実用化を制限しています。

ナノザイムの分類

ペルオキシダーゼナノザイムが報告されて以来、次々と多くのナノザイムが登場しています。これらのナノザイムは、以下の3つのカテゴリーに分類できます。

(1) Fe系ナノザイム。初期の研究は、強磁性ナノ材料のペルオキシダーゼ触媒活性に焦点を当て、Fe₃O₄およびFe₂O₃ナノ材料のサイズ、形態、表面修飾がその触媒活性に与える影響を調べました。その後、Feと他のナノ材料で形成される酸化物もペルオキシダーゼ様触媒活性を持つことが判明し、例えばFe-Bi酸化物ナノ粒子、Fe-Co酸化物ナノ粒子、Fe-Mn酸化物ナノ粒子などが挙げられます。

(2) 非Fe金属系ナノザイム。Fe系ナノザイム以外にも、多くの金属系ナノザイムが発見されています。例えば、セリウム酸化物ナノ粒子、マンガン酸化物ナノ粒子、銅酸化物ナノ粒子、コバルト四酸化物ナノ粒子などは、いずれもペルオキシダーゼ触媒活性を持っています。硫化銅ナノ粒子や硫化カドミウムナノ粒子も同様の触媒活性を示します。

(3) 非金属系ナノザイム。多くの非金属材料もペルオキシダーゼ活性を持っており、特にカーボン系ナノ材料（カーボンナノチューブ、グラフェン酸化物、カーボンナノドットなど）が挙げられます。さらに、多孔性ポリマーナノ材料も酵素模倣活性を持っています。これら新しいナノザイムの発見は非常に意義深く、多くのナノ材料が潜在的なペルオキシダーゼ触媒活性を持つことを示し、その応用範囲の拡大につながっています。

ナノザイムの特性

新しい有望な人工酵素として、ナノザイムは特に近年、非常に大きな注目を集めています。1990年代初頭のフラーレン誘導体ベースのDNase模倣体に関する先駆的な研究以来、ナノザイム分野は指数関数的な論文数の増加とともに驚異的な成長を遂げています。ナノザイムへの関心の高まりは、天然酵素や従来の人工酵素に比べて独自の特性に起因しています。ナノザイムは、サイズ（形状、構造、組成）に応じて調整可能な触媒活性、修飾やバイオコンジュゲーションのための大きな表面積、触媒以外の多機能性、外部刺激へのスマートな応答など、いくつかの点で独自性を持っています。

表1. ナノザイムと天然酵素の特性比較

ナノザイムの応用

これまでに、多くのナノ材料が多様な天然酵素の模倣を目的として研究されており、すでに多くの興味深い応用が見出されています。

ナノザイムの登場は、腫瘍診断に新たなアイデアを提供します。例えば、研究者は磁性ナノ粒子の表面に抗体を結合させ、腫瘍認識と発色腫瘍の両方に用いるナノプローブを作製しました。その結果は、従来のHRP酵素標識抗体免疫組織化学法と類似しており、今後の応用が期待されます。

腫瘍治療の分野では、酸化鉄ナノ粒子が過酸化水素存在下でペルオキシダーゼ模倣酵素として腫瘍細胞を直接殺傷できることが興味深い発見です。また、強磁性ナノ粒子が薬物キャリアや造影剤として生細胞と接触した際、過酸化水素の存在下で触媒反応が起こりフリーラジカルが生成され、微量の磁性ナノ粒子でもHeLa細胞の80%を殺傷できることが判明しています。この現象は、腫瘍治療の新たなアイデアを提供する一方で、磁性ナノ粒子をin vivoで使用する際には、その触媒活性、すなわち生体安全性について慎重に考慮する必要があることも示唆しています。

血糖値や尿酸の検出において、比色法はグルコース濃度を測定する一般的な方法であり、その原理はホースラディッシュペルオキシダーゼとグルコースオキシダーゼという2つの酵素系による発色反応に基づいています。四酸化三鉄ナノザイムはペルオキシダーゼの触媒機能を持つため、比色法においてホースラディッシュペルオキシダーゼの代替として使用でき、さらにグルコースオキシダーゼをナノ粒子表面に直接固定化することも可能です。グルコースオキシダーゼがグルコースを触媒して過酸化水素を生成し、ナノザイムがそのペルオキシダーゼ触媒活性を発揮して基質TMBやABTSと発色反応を起こします。この方法はシンプルかつ便利で、より迅速にグルコース含有量を測定できます。

ナノザイムの抗菌活性も最近発見されています。過酸化水素は一般的な殺菌消毒剤であり、これは過酸化水素が分解してフリーラジカルを生成し、細菌の細胞膜、タンパク質、核酸などの活性成分を破壊するためです。しかし、フリーラジカルの生成効率は低く、触媒を加えることでその生成が加速されます。ペルオキシダーゼ模倣酵素活性を持つナノ材料は、このような触媒として利用でき、過酸化水素によるフリーラジカル生成効率を高め、殺菌・消毒効果を向上させます。

環境モニタリングの重要な内容の一つは、過酸化物の含有量を監視することです。ナノザイムは、天然酵素の代わりに環境モニタリングに利用できます。例えば、雨水中の窒素・硫黄含有化合物は過酸化水素によって酸化され、酸性度が増し酸性雨を形成します。ペルオキシダーゼナノザイムの触媒活性を利用することで、科学者は雨水中の過酸化水素含有量を迅速に検出し、酸性雨のモニタリングを実現できます。

ナノザイムの触媒機能は、下水処理にも利用できます。フェノールは下水中で最も有害な発がん物質の一つであり、下水からフェノールを除去することは重要な課題です。研究者は、ペルオキシダーゼナノザイムが過酸化水素を触媒して大量のフリーラジカルを生成し、下水中のフェノールを二酸化炭素、水、小分子有機酸に分解できることを発見しました。天然酵素のような厳しい反応条件や変性・失活しやすいといった制限に比べ、ナノザイムは高い安定性、低コスト、再利用可能、環境に優しく無害、さまざまな汚染物質の分解が可能という利点があります。したがって、ナノザイムは下水処理において広範な応用価値を持っています。

参考文献

1. Wang, Xiaoyu, Guo, Wenjing, Hu, Yihui, 他．ナノザイム：次世代の人工酵素 [J]．SpringerBriefs in Molecular Science．10.1007/978-3-662-53068-9．