Giỏ hàng

NANOZYMES - BƯỚC TIẾN VƯỢT BẬC VỀ ENZYME NHÂN TẠO TỪ CHẤT VÔ CƠ

Trong lĩnh vực nghiên cứu mới nổi về Enzyme nhân tạo, nanozyme - Một loại vật liệu nano xúc tác có đặc tính tương tự Enzyme đã thu hút sự quan tâm lớn từ các nhà nghiên cứu. Bước tiến vượt bậc về Enzyme nhân tạo từ chất vô cơ thế nào cùng theo dõi bài viết sau đây nhé.

Ts. Trịnh Xuân Đức

Tóm tắt: Enzyme tự nhiên đóng vai trò quan trọng trong các phản ứng sinh học trong hệ thống sống. Tuy nhiên, một số hạn chế nội tại, chẳng hạn như dễ bị biến tính, tốn công sức trong quá trình chuẩn bị, có chi phí cao và khó tái chế, đã hạn chế các ứng dụng thực tế của chúng. Để giải quyết những vấn đề này, đã có những nỗ lực đáng kể để phát triển các giải pháp thay thế enzyme tự nhiên, được gọi là "enzyme nhân tạo". Trong lĩnh vực nghiên cứu mới nổi về enzyme nhân tạo, nanozyme - một loại vật liệu nano xúc tác có đặc tính tương tự enzyme - đã thu hút sự quan tâm lớn từ các nhà nghiên cứu.

Lịch sử nghiên cứu về Nanozyme

Enzyme tự nhiên là chất xúc tác sinh học phổ biến, đóng vai trò trung tâm trong hầu hết các phản ứng sinh học trong các hệ thống sống. Vì chúng có hiệu suất xúc tác vượt trội và tính đặc hiệu đặc biệt ở điều kiện nhẹ, các enzyme tự nhiên đã được rộng rãi khám phá và áp dụng trong các lĩnh vực khác ngoài hệ thống sống. Tuy nhiên, các enzyme tự nhiên là các protein hoặc axit ribonucleic, chúng có một số nhược điểm nội tại như dễ bị biến tính, yêu cầu quá trình chuẩn bị phức tạp và tốn nhiều công sức, chi phí cao và khó tái chế. Những hạn chế này đã hạn chế các ứng dụng thực tế của enzyme tự nhiên.

Nhằm giải quyết những hạn chế này, nhà nghiên cứu đã nỗ lực phát triển các giải pháp thay thế enzyme tự nhiên, được gọi là "enzyme nhân tạo" hoặc "mô phỏng enzyme", từ những năm 1950. Mục tiêu của enzyme nhân tạo là "bắt chước các quá trình xúc tác xảy ra trong hệ thống sống". Ban đầu, các nhà khoa học đã sử dụng cyclodextrin và các dẫn xuất của nó để bắt chước nhiều loại enzyme, từ thiamine pyrophosphate và pyridoxal phosphate đến enzyme thủy phân và thậm chí cả cytochrome P-450. Dựa trên thành công của những nghiên cứu này, các nhà nghiên cứu đã tiếp tục nghiên cứu nhiều loại vật liệu như phức hợp kim loại, polyme, siêu phân tử và phân tử sinh học (như axit nucleic, kháng thể xúc tác và protein) để mô phỏng các loại enzyme tự nhiên khác nhau. Trong hai thập kỷ qua, cùng với sự tiến bộ đáng kể trong công nghệ nano, đã được phát hiện nhiều loại vật liệu nano chức năng có khả năng xúc tác như enzyme một cách bất ngờ. Những vật liệu nano chức năng này được gọi chung là "nanozyme". Thuật ngữ "nanozyme" được đặt ra bởi Pasquato, Scrimin và đồng nghiệp của họ vào năm 2004 để mô tả các mô phỏng chuyển hóa phosphoryl dựa trên hạt nano vàng, mà được tạo ra thông qua quá trình tự lắp ráp của các thiol chức năng triazacyclonane lên bề mặt của các hạt nano vàng. Trong một bài đánh giá toàn diện được công bố vào năm 2013, Wei và Wang đã định nghĩa "nanozyme" là "vật liệu nano có đặc điểm tương tự như enzyme".

Trong lịch sử nghiên cứu, đã phát hiện nhiều loại vật liệu nano chức năng khác nhau có hoạt động xúc tác tương tự enzyme. Những vật liệu nanozyme này không chỉ có khả năng xúc tác hiệu quả, mà còn có thể thay thế các enzyme tự nhiên trong các ứng dụng công nghiệp và sinh học. Chúng có nhiều lợi thế so với enzyme tự nhiên, bao gồm sự ổn định, khả năng tái sử dụng, khả năng điều chỉnh hoạt động xúc tác và tiềm năng trong quá trình sản xuất hàng loạt.

Hiện nay, nghiên cứu về nanozyme đang tiếp tục phát triển và mở ra nhiều tiềm năng trong các lĩnh vực như xử lý nước, chẩn đoán y tế, công nghệ thực phẩm, công nghệ môi trường và nhiều ứng dụng khác trong công nghiệp. Các nghiên cứu tiếp theo nhằm tối ưu hóa hoạt tính và hiệu suất của nanozyme, cũng như khám phá thêm các ứng dụng mới sẽ tiếp tục được thực hiện.

Phân loại Nanozyme

Kể từ khi các nanozyme peroxidase được báo cáo, ngày càng xuất hiện nhiều nanozyme khác nhau. Những nanozyme này có thể được phân loại thành ba loại chính như sau:

(1) Nanozyme dựa trên Fe: Các nghiên cứu ban đầu tập trung vào hoạt tính xúc tác peroxidase của vật liệu nano sắt và nghiên cứu tác động của kích thước, hình thái và biến đổi bề mặt của vật liệu nano Fe3O4 và Fe2O3 đối với hoạt tính xúc tác. Sau đó, người ta nhận thấy rằng các oxit được hình thành từ Fe cũng có hoạt tính xúc tác giống peroxidase, bao gồm các nano hạt oxit Fe-Bi, oxit Fe-Co và oxit Fe-Mn.

(2) Nanozyme dựa trên kim loại không chứa Fe: Ngoài nanozyme dựa trên Fe, nhiều nanozyme dựa trên kim loại khác đã được tìm thấy. Ví dụ, các nano hạt xeri điôxit, mangan điôxit, ôxít đồng và coban tetroxide đều có hoạt tính xúc tác peroxidase. Các nano hạt sulfua đồng và sulfua cadmium cũng có hoạt tính xúc tác tương tự.

(3) Nanozyme phi kim loại: Nhiều vật liệu phi kim loại cũng có hoạt tính peroxidase, đặc biệt là các vật liệu nano dựa trên carbon như ống nano carbon, oxit graphene và chấm nano carbon. Ngoài ra, các vật liệu nano polymer xốp cũng có hoạt tính bắt chước enzyme. Phát hiện các nanozyme mới này có ý nghĩa to lớn và cho thấy tiềm năng của nhiều vật liệu nano có hoạt tính xúc tác peroxidase, mở ra khả năng mở rộng ứng dụng của chúng.

Đặc điểm của Nanozyme và so sánh với enzyme tự nhiên

Nanozyme là một loại enzyme nhân tạo mới đầy hứa hẹn, đã thu hút được sự chú ý đáng kể trong những năm gần đây. Kể từ khi nghiên cứu chuyên đề về mô phỏng DNase dựa trên dẫn xuất fullerene vào đầu những năm 1990, lĩnh vực nanozyme đã chứng kiến sự phát triển đáng kinh ngạc với số lượng công bố tăng lên theo cấp số nhân. Mối quan tâm đối với các nanozyme đã tăng lên do các đặc tính độc đáo của chúng so với cả enzym tự nhiên và các enzym nhân tạo thông thường.

Nanozyme có những khác biệt quan trọng so với enzyme tự nhiên. Một điểm khác biệt là nanozyme có khả năng điều chỉnh kích thước, hình dạng, cấu trúc và thành phần của chúng, điều này cho phép tinh chỉnh và tùy chỉnh hoạt tính xúc tác. Bên cạnh đó, nanozyme có diện tích bề mặt lớn, giúp tăng cường khả năng tương tác và tăng cường hiệu suất xúc tác.

Nanozyme cũng có khả năng liên kết và tương tác với các thành phần sinh học khác, tạo ra khả năng liên hợp sinh học. Điều này mở ra cơ hội để sử dụng nanozyme trong các ứng dụng đa chức năng ngoài chức năng xúc tác, như phân phối chất dược trong cơ thể hoặc điều chỉnh quá trình sinh học.

Một ưu điểm khác của nanozyme so với enzyme tự nhiên là khả năng phản ứng thông minh với các kích thích bên ngoài. Các nanozyme có thể được thiết kế để phản ứng với ánh sáng, nhiệt độ, pH hoặc các tín hiệu sinh học khác, giúp kiểm soát và điều chỉnh hoạt động của chúng.

Một số ứng dụng điển hình của nanozyme

Chẩn đoán khối u: Nanozyme có thể được sử dụng để phát hiện và nhận dạng khối u trong chẩn đoán y tế. Ví dụ, nanozyme có thể được ghép kháng thể trên bề mặt của hạt nano từ tính để tạo ra các đầu dò nano cho việc nhận dạng và phát hiện khối u. Điều này có thể cung cấp phương pháp chẩn đoán khối u tiềm năng với độ chính xác và nhạy bén.

Xử lý nước thải: Nanozyme có thể được sử dụng trong quá trình xử lý nước thải để phân hủy các chất ô nhiễm như phenol và các chất hữu cơ độc hại khác. Nanozyme peroxidase có khả năng xúc tác hydro peroxide để tạo ra các gốc tự do, giúp phân hủy các chất ô nhiễm thành các chất không độc, như carbon dioxide, nước và axit hữu cơ phân tử nhỏ. Điều này giúp cải thiện hiệu quả xử lý nước thải và giảm thiểu ô nhiễm môi trường.

Xử lý môi trường: Nanozyme cũng có thể được sử dụng trong các ứng dụng xử lý môi trường khác như khử kim loại nặng và phân giải chất ô nhiễm hữu cơ. Với hoạt tính xúc tác mạnh, nanozyme có thể tác động vào các phản ứng hóa học liên quan đến quá trình xử lý môi trường, giúp loại bỏ chất ô nhiễm và cải thiện chất lượng môi trường.

Điều trị bệnh: Nanozyme có tiềm năng trong việc điều trị một số bệnh như ung thư và bệnh tim mạch. Ví dụ, nanozyme có thể được sử dụng để phân hủy tế bào khối u thông qua hoạt động xúc tác tạo ra các gốc tự do. Ngoài ra, nanozyme có khả năng xúc tác phản ứng chuyển hóa nitric oxide thành các chất hoạt động chống vi khuẩn, có thể được sử dụng trong điều trị nhiễm trùng.

Công nghệ thực phẩm: Nanozyme có thể được sử dụng trong công nghệ thực phẩm để cải thiện quá trình chế biến và bảo quản thực phẩm. Ví dụ, nanozyme có thể được sử dụng để tăng cường quá trình xúc tác trong quá trình lên men và phân giải chất dinh dưỡng trong thực phẩm, giúp cải thiện chất lượng, độ tươi ngon và giảm thất thoát chất dinh dưỡng.

Cảm biến sinh học: Nanozyme có thể được sử dụng trong cảm biến sinh học để phát hiện và giám sát các chất sinh học quan trọng. Ví dụ, nanozyme có thể được sử dụng để phát hiện glucose trong máu hoặc các chất gây viêm nhiễm trong mẫu sinh học. Sự kết hợp giữa hoạt tính xúc tác của nanozyme và khả năng nhận dạng mục tiêu của các hạt nano có thể cung cấp phương pháp cảm biến sinh học nhạy bén và đáng tin cậy.

Vật liệu tự làm sạch: Nanozyme có thể được sử dụng trong vật liệu tự làm sạch để loại bỏ chất ô nhiễm và tạo ra môi trường sạch hơn. Ví dụ, nanozyme có thể được tích hợp vào bề mặt vật liệu để xúc tác phản ứng khử trùng và phân hủy chất ô nhiễm, giúp làm sạch không khí, nước và bề mặt các vật liệu.

Nghiên cứu sinh học: Nanozyme cung cấp một công cụ quan trọng trong nghiên cứu sinh học để tạo ra các điều kiện môi trường và phản ứng xúc tác cần thiết. Ví dụ, nanozyme có thể được sử dụng trong nghiên cứu về sự tương tác giữa các phân tử sinh học, quá trình tạo ra các chất trung gian và xúc tác phản ứng sinh học.

Chẩn đoán bệnh: Nanozyme có tiềm năng trong việc phát triển các công cụ chẩn đoán bệnh mới. Ví dụ, nanozyme có thể được sử dụng để phát hiện các chất điển hình có mặt trong mẫu sinh học, như biomarker của bệnh, và tạo ra phản ứng màu hoặc tín hiệu để chẩn đoán bệnh một cách nhanh chóng và chính xác.

Kết luận

Trên cơ sở nghiên cứu về nanozyme và ứng dụng của chúng, có thể rút ra những kết luận quan trọng như sau. Nanozyme đã trở thành một lĩnh vực nổi bật trong khoa học và công nghệ, với sự phát triển đáng kinh ngạc trong thời gian gần đây. Việc phân loại nanozyme thành ba loại chính dựa trên nguyên tố chủ yếu (Fe, kim loại không chứa Fe và phi kim loại) đã giúp hiểu rõ hơn về đặc điểm và khả năng xúc tác của chúng.

So với enzyme tự nhiên, nanozyme có nhiều đặc điểm độc đáo. Nanozyme có khả năng điều chỉnh kích thước, hình dạng và thành phần, từ đó tùy chỉnh hoạt tính xúc tác. Diện tích bề mặt lớn của nanozyme cũng tạo điều kiện tốt hơn cho tương tác và hiệu suất xúc tác. Khả năng liên kết và tương tác với các thành phần sinh học khác mở ra khả năng ứng dụng đa chức năng của nanozyme ngoài chức năng xúc tác. Đặc biệt, nanozyme có khả năng phản ứng thông minh với các kích thích bên ngoài, cho phép kiểm soát và điều chỉnh hoạt động của chúng.

Ứng dụng của nanozyme rất đa dạng và hứa hẹn trong nhiều lĩnh vực. Các ứng dụng điển hình của nanozyme bao gồm chẩn đoán khối u, xử lý nước thải, xử lý môi trường, điều trị bệnh, công nghệ thực phẩm, cảm biến sinh học, vật liệu tự làm sạch và nghiên cứu sinh học. Các công nghệ và phương pháp này đều có tiềm năng để cải thiện chất lượng cuộc sống, bảo vệ môi trường và cung cấp các công cụ chẩn đoán và điều trị hiệu quả cho các bệnh lý.

Facebook Instagram Youtube Google+ Top