综述：漆酶的最新进展：从分子特性到在生物催化、固定化及纳米酶领域的广泛应用

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Recent advances in laccase: From molecular characteristics to advanced applications in biocatalysis, immobilization, and nanozymes

漆酶作为天然绿色催化剂在环境修复和食品安全中潜力显著，但存在催化性能、稳定性和可重复使用性等固有局限。本文系统总结优化原生漆酶的策略（酶固定化、理性蛋白工程）及替代材料（纳米酶）的最新进展，首次提出从酶优化到酶替代的整合视角，分析不同策略的机制、优势及工业适用性，并展望未来研究方向。

　　

张成宇|王聪|张希蒙|姚晨宇|朱琳|柴欣|张嘉兴|游胜平|王月飞|苏荣欣|齐伟

中国中医现代化国家重点实验室，天津中医药大学，天津，301617，中国

摘要

作为一种天然绿色催化剂，漆酶在环境修复和食品安全等领域展现出巨大潜力。然而，天然游离酶的固有局限性——包括其催化性能、稳定性和可重复使用性——阻碍了其实际应用。本文重点探讨了漆酶在实际应用中面临的关键挑战，并系统总结了提高其性能的创新策略以及替代材料的最新进展。与以往的综述不同，本文首次提供了关于天然漆酶性能优化的综合概述（通过来源筛选、蛋白质工程和固定化技术），同时介绍了新型仿漆酶纳米酶的开发，从而从“酶优化”到“酶替代”提供了新的视角。文章对各种策略的机制、优势和局限性进行了批判性分析，并评估了它们的实际潜力。此外，还概述了未来研究的方向和关键技术，以推动漆酶的发展。

引言

漆酶（EC 1.10.3.2）是一种重要的多铜氧化酶，广泛存在于植物、真菌和细菌中[1]，[2]。凭借其广泛的底物范围和强大的催化效率，漆酶成为多种有机化合物生物转化和合成的多功能生物催化剂[3]。值得注意的是，漆酶作为一种绿色催化剂，以其使用分子氧作为最终电子受体并产生水作为唯一副产品而受到重视[4]。这些优点使漆酶成为多种生物技术应用中的有前景的催化剂，特别是在降解持久性有机污染物的生物修复以及食品安全系统中的霉菌毒素解毒和饮料澄清方面[5]。然而，天然漆酶的广泛应用受到其固有局限性的限制，如结构不稳定、氧化还原电位低和可重复使用性差[6]。为了解决这些问题，酶固定化成为一种关键策略[7]。通过将漆酶固定在固体支持物（如纳米颗粒、聚合物或多孔基质）上或通过交联酶聚集体（CLEAs），可以增强稳定性，便于回收，并提高对恶劣环境条件的抵抗力[8]，[9]。载体材料和新型固定化技术的最新进展进一步扩展了其工业应用的潜力[10]。

尽管漆酶具有多功能性，但其催化效率常常受到活性位点空间限制、氧化还原电位不佳和易变性等因素的影响[11]。基于结构的酶工程通过计算建模和基因修饰设计出优化变体，提供了强有力的解决方案[12]。定向进化、位点饱和突变和理性设计等技术产生了在工业条件下具有更高热稳定性和底物范围以及更高活性的漆酶突变体[13]，[14]。理性设计侧重于参与底物结合、电子转移或结构稳定的关键残基，从而开发出适用于特定应用的定制漆酶[15]。这些工程化酶在降解持久性污染物（如内分泌干扰物BPA和三氯生）和推进生物传感平台方面具有潜力。

与生物漆酶并行，模拟天然漆酶活性的纳米酶作为坚固且成本效益高的替代品受到了关注[16]。这些合成催化剂复制了漆酶的动力学和机制行为，具有更好的稳定性、可调的活性以及对极端pH值和温度的抵抗力[16]。由过渡金属（如Cu、Mn或Fe氧化物）、碳基材料或混合复合材料组成的纳米酶已显示出高效的酚类降解和生物传感能力[17]。与天然酶不同，纳米酶克服了纯化困难和较短操作寿命等挑战。它们的模块化设计使得催化性能可以精细调节，适用于大规模环境和工业应用。

本文总结了漆酶的天然来源和结构特征，随后重点讨论了三种先进策略——酶固定化、理性蛋白质工程和纳米酶开发——以克服天然漆酶的固有局限性并提高其生物技术应用性。固定化增强了实用性和可重复使用性，基于结构的工程为特定需求定制了漆酶，而纳米酶提供了耐用的合成替代品。本文系统地回顾了有关漆酶研究的最新文献，关键词包括漆酶、漆酶固定化、漆酶结构、漆酶来源、漆酶工程和类漆酶纳米酶。通过综合和组织现有研究成果，本文旨在为该领域的研究人员提供全面、深入和具有前瞻性的资源，促进下一代生物催化剂的合理设计和应用。

部分摘录

漆酶的天然来源和结构特征

漆酶广泛分布于多种植物、真菌、细菌和动物中[18]。特别是来自白腐真菌的漆酶因其出色的催化性能和显著的稳定性而受到工业界的广泛关注[19]，这使得它们在纺织品加工、染料脱色、皮革鞣制、环境修复和食品工业中得到广泛应用[20]。除了真菌外，漆酶还

放大挑战和新兴解决方案

将工程化漆酶和仿漆酶纳米酶从实验室研究放大到工业应用面临相互关联的技术、经济和监管障碍。从技术角度来看，主要限制包括表达系统效率低下和可扩展性差。在微生物系统中异源表达工程化漆酶常常导致产量不足和蛋白质折叠不当。纳米酶虽然规避了生物表达问题，但也面临

结论

本文系统地探讨了推进基于漆酶系统实际应用的关键技术，即酶工程、纳米酶开发和固定化策略。我们的分析表明，每种方法都提供了克服天然漆酶固有局限性的不同途径，从而提高了催化性能、稳定性和操作可行性（表4）。有几项重要进展值得强调。在漆酶工程方面，

未引用的参考文献

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CRediT作者贡献声明

张希蒙：撰写——初稿，研究，数据分析。姚晨宇：撰写——初稿，研究。苏荣欣：项目管理，概念构思。张成宇：撰写——初稿，研究，资金获取，数据分析，概念构思。齐伟：项目管理，概念构思。王聪：撰写——初稿，研究，数据分析。游胜平：撰写与编辑，监督，研究，资金提供

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了现代中药新型生产力技术创新专项（24ZXZKSY00010）、天津中医药大学Eyas研究项目（编号XJS2022211）、天津市科技计划（编号24ZYJDSS00300）和天津市合成生物技术创新能力提升项目（TSBICIP-KJGG-004）的支持。