ナノザイム

ナノザイムの概要

天然酵素は、生体内における生化学反応に不可欠な役割を担っている。しかし、変性しやすい、調製が煩雑である、コストが高い、再利用が困難である等の内在的な課題により、実用化が制限されてきた。これらの課題に対応するため、天然酵素の代替として「人工酵素」の開発が精力的に進められている。人工酵素研究の新興領域として、酵素様特性を有する触媒性ナノ材料であるナノザイム（nanozymes）が注目を集めている。

ナノザイム研究の沿革

天然酵素は、生体内のほぼすべての生物学的反応において中心的役割を果たす遍在的な生体触媒である。温和な条件下で卓越した触媒効率と高い特異性を示すことから、生体外での多様な用途に向けても広く検討されてきた。一方で、天然酵素はタンパク質またはリボ核酸であるため、変性しやすい、調製が煩雑である、コストが高い、再利用が困難である等の内在的な欠点を不可避的に有し、これらが実用化の制約要因となっている。

これらの欠点を克服するため、1950年代以降、天然酵素の代替である「人工酵素」（または「酵素ミミック」）の開発が集中的に進められてきた。人工酵素は「生体内で起こる触媒過程を模倣する」ことを目的とする。初期には、シクロデキストリンおよびその誘導体が、チアミンピロリン酸やピリドキサールリン酸から加水分解酵素、さらにはシトクロムP-450に至るまで、多様な酵素の模倣に用いられた。これらの成果に触発され、金属錯体、高分子、超分子、ならびに生体分子（核酸、触媒抗体、タンパク質等）など、さまざまな材料が天然酵素の機能模倣に向けて検討されてきた。過去20年にわたり、ナノテクノロジー分野の顕著な進展とともに、多様な機能性ナノ材料が予期せぬ酵素模倣触媒活性を有することが見いだされている。これらの新規機能性ナノ材料は総称して「ナノザイム」と呼ばれる。「ナノザイム」という用語は、2004年にPasquato、Scriminらにより、トリアザシクロノナン官能化チオールが金ナノ粒子表面に自己組織化することで得られる、金ナノ粒子ベースのトランスホスホリル化ミミックを記述するために提唱された。さらに2013年に公表された包括的レビューにおいて、WeiおよびWangはナノザイムを「酵素様特性を有するナノ材料」と定義した。

Nanozyme

ナノザイムの分類

ペルオキシダーゼ様ナノザイムの報告以降、さまざまなナノザイムが相次いで報告されている。これらは以下の3分類に大別できる。

(1) Fe系ナノザイム。初期研究では、強磁性ナノ材料のペルオキシダーゼ触媒活性に着目し、Fe₃O₄およびFe₂O₃ナノ材料のサイズ、形態、表面修飾が触媒活性に与える影響が検討された。その後、Feと他の元素からなる酸化物ナノ粒子（Fe-Bi酸化物、Fe-Co酸化物、Fe-Mn酸化物等）もペルオキシダーゼ様触媒活性を有することが見いだされた。

(2) 非Fe金属系ナノザイム。Fe系に加え、他の金属系ナノザイムも多数報告されている。例えば、酸化セリウムナノ粒子、二酸化マンガンナノ粒子、酸化銅ナノ粒子、四酸化コバルトナノ粒子はいずれもペルオキシダーゼ触媒活性を示す。また、硫化銅ナノ粒子および硫化カドミウムナノ粒子も同様の触媒活性を有する。

(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示し、特にカーボン系ナノ材料（カーボンナノチューブ、酸化グラフェン、カーボンナノドット等）が代表例である。さらに、多孔質高分子ナノ材料も酵素模倣活性を示す。これら新規ナノザイムの発見は、さまざまなナノ材料が潜在的にペルオキシダーゼ様触媒活性を有し得ることを示すものであり、応用範囲の拡大に資する点で意義が大きい。

ナノザイムの特性

有望な新規人工酵素として、ナノザイムは近年とりわけ大きな関心を集めている。1990年代初頭に報告されたフラーレン誘導体ベースのDNaseミミックに関する先駆的研究以降、関連論文数の指数関数的増加に象徴されるように、ナノザイム分野は著しい発展を遂げてきた。ナノザイムへの関心の高まりは、天然酵素、さらには従来型人工酵素と比較した際の独自の特性に起因する。ナノザイムは、サイズ（形状、構造、組成）により調整可能な触媒活性、修飾および生体コンジュゲーションに適した大きな表面積、触媒以外の多機能性、外部刺激に対するスマート応答性等、複数の点で特異性を有する。

表1. ナノザイムと天然酵素の特性比較

ナノザイム	天然酵素
低コスト大量生産が容易過酷環境に対する高い耐性高い安定性長期保存が可能活性の調整が可能サイズ（形状、構造、組成）依存の特性多機能追加修飾が容易（例：生体コンジュゲーション）外部刺激に対するスマート応答自己組織化	高い触媒効率高い基質特異性高い（エナンチオ）選択性精緻な三次元構造幅広い触媒反応活性の調整が可能良好な生体適合性タンパク質工学および計算科学による合理的設計

ナノザイムの応用

これまでに、多様な天然酵素を模倣する多数のナノ材料が検討され、すでに多くの興味深い応用が見いだされている。

Nanozyme

ナノザイムの登場は、腫瘍診断に新たなアプローチを提供する。例えば、研究者らは磁性ナノ粒子表面に抗体を結合させ、腫瘍認識と発色による腫瘍検出の双方に用いるナノプローブを作製した。その結果は、従来のHRP（西洋ワサビペルオキシダーゼ）標識抗体を用いた免疫組織化学法と同等であり、応用可能性が示唆されている。

腫瘍治療分野では、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ミミック活性を介して腫瘍細胞を直接死滅させ得ることが報告されており、注目される。また、強磁性ナノ粒子が薬物キャリアまたは造影剤として生体細胞と接触する場合、過酸化水素の存在により触媒反応が誘起され、フリーラジカルが生成されることが見いだされている。微量の磁性ナノ粒子であってもHeLa細胞の80%を死滅させ得るとの報告もある。この現象は腫瘍治療に対する新たな示唆を与える一方で、磁性ナノ粒子をin vivoで使用する際には、その触媒活性に起因する影響、すなわち生体安全性について慎重な評価が必要であることを示している。

血糖および尿酸の測定では、比色法がグルコース濃度測定のルーチン手法として用いられており、その原理はHRPとグルコースオキシダーゼの二酵素系による発色反応に基づく。四酸化鉄ナノザイムはペルオキシダーゼ触媒機能を有するため、比色法においてHRPの代替となり得るだけでなく、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ある。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すると、ナノザイムが直接ペルオキシダーゼ触媒活性を発揮し、基質TMBまたはABTSとの反応により発色を生じる。本手法は簡便であるだけでなく、より迅速なグルコース測定を可能にする。

ナノザイムの抗菌活性も近年明らかになってきた。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、核酸等の機能性成分を損傷させるためである。しかし、フリーラジカル生成効率は高くなく、触媒の添加により生成が促進される。ペルオキシダーゼミミック活性を有するナノ材料は、このような触媒として用いることができ、過酸化水素からのフリーラジカル生成効率を高め、殺菌・消毒効果を増強し得る。

環境モニタリングにおける重要項目の一つは、過酸化物濃度の監視である。ナノザイムは天然酵素の代替として環境モニタリングに利用可能である。例えば、雨水中の含窒素化合物および含硫黄化合物は過酸化水素により酸化され、酸性度が増加して酸性雨の形成につながる。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、雨水中の過酸化水素濃度を迅速に測定し、酸性雨のモニタリングを実現できる。

ナノザイムの触媒機能は下水処理にも応用できる。フェノールは下水中に含まれる有害な発がん性物質の一つであり、下水からのフェノール除去は下水処理における重要課題である。研究者らは、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分解して二酸化炭素、水、低分子有機酸を生成し得ることを見いだした。反応条件が厳しい、変性・失活しやすい等の天然酵素の制約と比較して、ナノザイムは安定性が高く、低コストで再利用可能であり、環境負荷が低く、複数の汚染物質を分解できる。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有する。

参考文献

Wang, Xiaoyu, Guo, Wenjing, Hu, Yihui, et al. Nanozymes: Next Wave of Artificial Enzymes [J]. SpringerBriefs in Molecular Science. 10.1007/978-3-662-53068-9.