ナノザイムの紹介

自然酵素は、生物システムにおける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、準備が面倒、高コスト、リサイクルが難しいなどの内在的な欠点が、実用的な応用を制限しています。これらの問題に対処するために、自然酵素の代替品である「人工酵素」の開発に多くの努力が注がれてきました。人工酵素の新しい研究分野として、酵素のような特性を持つ触媒ナノ材料であるナノザイムは、研究者たちの大きな関心を集めています。

ナノザイム研究の歴史

自然酵素は、生物システムにおけるほぼすべての生物反応において中心的な役割を果たす普遍的な生体触媒です。彼らは穏やかな条件下で驚異的な効率と特異性で反応を触媒するため、自然酵素は生物システムを超えたさまざまな応用のために広く探求されてきました。一方、自然酵素はタンパク質またはリボ核酸であり、変性しやすい、準備が面倒、高コスト、リサイクルが難しいなどのいくつかの内在的な欠点を避けることはできません。これらの欠点は、実用的な応用を制限する要因となっています。

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現れています。これらのナノザイムは、3つのカテゴリに分けることができます。

(1) Feベースのナノザイム。最初の研究は、フェロ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、表面修飾が触媒活性に与える影響を研究しました。その後、Feおよび他のナノ材料によって形成された酸化物もペルオキシダーゼ様の触媒活性を持つことがわかりました。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です。

(2) 非Fe金属ベースのナノザイム。Feベースのナノザイムに加えて、多くの他の金属ベースのナノザイムも発見されました。例えば、二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など、これらはすべて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持っています。

(3) 非金属ベースのナノザイム。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、特にカーボンベースのナノ材料（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）です。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。これらの新しいナノザイムの発見は非常に重要であり、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ており、その基盤の上で応用範囲を拡大することができます。

ナノザイムの特性

新しいタイプの有望な人工酵素として、ナノザイムは特に近年、かなりの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模倣物に関する先駆的な研究以来、ナノザイムの分野では出版物の指数関数的な増加により驚異的な成長が見られました。ナノザイムへの関心の高まりは、自然酵素や従来の人工酵素に対する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）に依存した触媒活性、大きな表面積による修飾とバイオ結合、触媒以外の多機能、外部刺激に対するスマートな応答、など、いくつかの側面で独特です。

表1. ナノザイムと自然酵素の特性比較。

ナノザイムの応用

これまでに、多くのナノ材料が多様な自然酵素を模倣するために調査されており、すでに多くの興味深い応用が見つかっています。

ナノザイムの出現は、腫瘍診断の新しいアイデアを提供します。例えば、研究者たちは、磁性ナノ粒子の表面に抗体を結合させ、腫瘍認識と色素腫瘍の両方のためのナノプローブにしました。結果は、従来のHRP酵素標識抗体免疫組織化学法に似ており、潜在的な応用の展望があります。

腫瘍治療の分野では、酸化鉄ナノ粒子が過酸化水素の存在下でそのペルオキシダーゼ模倣酵素を介して腫瘍細胞を直接殺すことができることが興味深いことがわかりました。また、フェロ磁性ナノ粒子が生細胞と接触すると、薬物キャリアや造影剤として、過酸化水素の存在が触媒反応を引き起こし、フリーラジカルを生成することがわかりました。微量の磁性ナノ粒子でも、80%のHeLa細胞を殺すことができます。一方で、この現象は腫瘍治療の新しいアイデアを提供します。他方で、磁性ナノ粒子がin vivoで使用される際には、その触媒活性の影響、すなわち生物安全性を慎重に考慮する必要があることを示唆しています。

血糖値や尿酸の検出において、比色法はグルコースの濃度を検出するための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の2つの酵素系によって生成される色反応によって実現されます。フェリックテトロキシドナノザイムはペルオキシダーゼの触媒機能を持っているため、比色法においてホースラディッシュペルオキシダーゼを置き換えるだけでなく、グルコースオキシダーゼをナノ粒子の表面に直接固定化することもできます。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する際、ナノザイムはそのペルオキシダーゼ触媒活性を直接発揮し、基質TMBまたはABTSと色反応を生成します。この方法は、シンプルで便利なだけでなく、グルコースの含有量をより迅速に検出することができます。

ナノザイムの抗菌活性が最近発見されました。過酸化水素は一般的に使用される殺菌消毒剤であり、過酸化水素はフリーラジカルを生成するために分解され、細菌の活性成分（細胞膜、タンパク質、核酸など）を破壊します。しかし、フリーラジカルを生成する効率は低く、触媒を追加することでフリーラジカル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、そのような触媒として使用され、過酸化水素のフリーラジカル生成効率を向上させ、滅菌および消毒の効果を高めることができます。

環境モニタリングの重要な内容の1つは、過酸化物の含有量を監視することです。ナノザイムは自然酵素の代わりに環境を監視するために使用できます。例えば、雨水中の窒素含有化合物や硫黄含有化合物は過酸化水素によって酸化され、その酸性が増加し、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、科学者たちは雨水中の過酸化水素の含有量を迅速に検出し、酸性雨の監視を実現できます。

ナノザイムの触媒機能は、下水処理にも使用できます。フェノールは下水中で最も有害な発癌物質の1つであり、下水からフェノールを除去する方法は下水処理の重要な部分です。研究者たちは、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、小分子有機酸を生成できることを発見しました。自然酵素の制限（厳しい反応条件や変性・不活性化の容易さなど）と比較して、ナノザイムは良好な安定性、低コスト、リサイクル可能、環境に優しく無害であり、さまざまな汚染物質を分解することができます。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, et al. Nanozymes: Next Wave of Artificial Enzymes [J]. SpringerBriefs in Molecular Science. 10.1007/978-3-662-53068-9.