《Coordination Chemistry Reviews》：Enzyme–metal nanobiohybrids: coordination-controlled nanostructure formation and emerging catalytic function
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酶–金属纳米颗粒杂化物（nanobiohybrids）已成为一类独特的仿生多功能材料，其将酶的分子识别与催化精准性同金属纳米颗粒（NPs）独特的物理化学性质相整合。配位相互作用主导着纳米生物杂化物结构的形成；蛋白质支架决定纳米颗粒的尺寸、形貌及空间分散性；正交
酶–金属纳米颗粒杂化物（nanobiohybrids）已成为一类独特的仿生多功能材料，其将酶的分子识别与催化精准性同金属纳米颗粒（NPs）独特的物理化学性质相整合。配位相互作用主导着纳米生物杂化物结构的形成；蛋白质支架决定纳米颗粒的尺寸、形貌及空间分散性；正交的酶–金属活性位点驱动高选择性级联反应；可调控的生物–纳米界面增强对持久性有机污染物的降解能力；连续化制造策略使纳米生物杂化物的规模化工业生产成为可能。然而，天然酶在技术应用中常受限于底物谱狭窄、操作稳定性不足及对环境条件敏感；而金属纳米颗粒则面临团聚、不可控生长、金属流失及长期稳定性差等问题。研究人员通过将酶作为活性生物支架，利用特定氨基酸残基与结构基序调控金属离子的配位、纳米颗粒的成核与生长，从而形成高分散且稳定的金属纳米结构，并赋予其单一酶或金属催化剂难以实现的协同催化功能。该类杂化体系在温和条件下实现了包括碳–碳键形成、碳–氢键官能化、选择性氧化还原、动态动力学拆分及串联级联反应等高效转化，并在持久性有机污染物降解、CO?捕集转化及抗菌抗病毒等环境与生物医学领域展现出广阔前景。本综述从结构–配位–功能一体化视角出发，系统阐述了酶–金属配位化学调控纳米结构形成的机制，并提出了面向理性设计与规模化应用的多尺度策略。
酶–金属纳米生物杂化物（nanobiohybrids）作为一类新兴的仿生催化材料，通过将酶的分子识别与催化选择性同金属纳米颗粒（NPs）的电子、氧化还原及结构特性相结合，为绿色化学、环境修复和精细化工提供了创新平台。然而，单一酶催化剂面临稳定性差与底物谱窄的局限，而传统金属纳米颗粒则受制于团聚、金属流失及长期失活等问题。针对上述瓶颈，研究人员系统阐述了以酶为活性生物支架的三种杂化构建策略：一是酶引导的金属纳米颗粒原位形成，借助酶组装体作为模板与还原/配位介质，生成从纳米花到分级结构等多种形貌；二是单酶限域的人工金属酶，在极低金属前驱体浓度下，通过蛋白质工程在特定位点引入配位残基（如半胱氨酸），实现纳米团簇在单个蛋白质分子内的分子限域；三是表面固定化酶纳米生物杂化物，将酶固定于石墨烯等多孔/结构化载体，在固相界面实现金属纳米颗粒的可控生成及多酶–多金属协同。研究人员进一步利用分子动力学模拟揭示了蛋白质–金属相互作用的动态协调机制，并通过连续流反应器（10 L·h?1）、微液滴超快合成及机械化学法制备等策略验证了规模化生产的可行性。基于上述研究，研究人员提出了纳米生物杂化物在碳–碳键形成、选择性氧化还原、级联催化、持久性有机污染物降解、CO?转化、抗菌抗病毒及防污涂层等领域的代表性应用，并指出通过定量解析结构–功能–工艺三者关系，是实现从实验室材料向实用催化技术转化的关键。该论文发表于《Coordination Chemistry Reviews》。
**研究背景与存在问题**
化石资源过度开发与工业化进程加速了污染物向自然生态系统的排放，水体新兴微污染物（药品、全氟/多氟烷基物质(PFAS)、农药、染料等）因其持久性与生物累积性构成严峻威胁。同时，抗菌素耐药性(AMR)的蔓延及高传染性病毒的传播成为重大全球健康挑战。传统污染物去除技术（光催化、臭氧化、膜分离、吸附等）存在选择性差、成本高、易失活或产生二次毒物等问题。在此背景下，酶作为自然界最高效的催化剂，具有优异底物特异性、高转化数及温和条件下（水相、常温、近中性pH）运作的能力，但其应用受限于底物谱窄、操作稳定性不足及对环境敏感。金属纳米颗粒（Pd、Cu、Au、Ag、Pt等）虽具备广谱催化活性（氢化、氧化、碳–碳键形成），却常因团聚、不可控生长、金属流失及长期稳定性差而受限。因此，如何通过分子级配位调控将二者优势整合，实现结构可控、功能协同且可规模化的催化体系，成为亟待解决的核心科学问题。
**研究人员开展的研究**
针对上述挑战，研究人员以"结构–配位–功能"一体化为框架，系统考察了酶–金属配位相互作用如何决定纳米尺度架构及其催化功能。研究涵盖三种空间尺度渐进的杂化构建模式：酶引导的金属纳米颗粒形成（酶组装体模板）、单酶限域的人工金属酶（单分子限域）及表面固定化酶纳米生物杂化物（固相界面限域）。通过控制酶种类、金属前驱体浓度、金属与蛋白比例、pH、温度和反应时间等参数，实现了从超小金属簇、纳米花、纳米片到多级组装体的形貌调控。研究还利用分子动力学(MD)模拟、透射电子显微镜(TEM)、X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)等表征技术，结合连续流反应器（通量10 L·h?1）、蒸发微液滴超快合成及机械化学法等放大策略，系统评价了杂化材料在有机合成、污染物降解、CO?捕集转化、抗菌抗病毒等领域的应用潜力。
**研究结果**
**2. 酶–金属架构：从酶引导的纳米颗粒形成到负载型纳米生物杂化物**
研究人员提出了三种由酶介导金属纳米颗粒形成的空间组织策略。在酶引导模式中，脂肪酶B（CAL-B）等蛋白质不仅作为稳定剂，更通过氨基酸残基（氨基、羧基、羟基、硫醇）的配位环境调控Pd、Pt（2–4 nm）与Ag、Au（8–10 nm）等金属的尺寸差异；蛋白尺寸相近但表面配位环境不同的酶（如CALB与TLL）可产生迥异的金属掺入行为。改变合成温度（20至50 °C）使Pd颗粒从约3 nm增至12 nm。铁基杂化物的磁行为（超顺磁至铁磁）及铜基杂化物的颗粒尺寸均受酶支架种类显著影响。此外，通过掺入Ag可构建组分依赖的Cu/Ag双金属纳米结构。
**2.2. 单酶–金属纳米生物杂化物：可溶性人工金属酶**
在极低金属与蛋白比例下，研究人员利用工程化的嗜热脂肪酶（GTL）变体（在催化丝氨酸GTL-114或lid区GTL-196引入半胱氨酸）实现了Au纳米颗粒在单分子层面的空间定位。当硫醇位于蛋白表面时形成较大Au颗粒，位于活性位点环境内则形成较小颗粒；所得杂化物保留超过95%原始酶活性，同时具备Au的催化功能。该方法随后拓展至Ag和Mn体系，Mn体系可形成MnO?结构及类线状高阶组装。
**2.3. 表面固定化酶纳米生物杂化物**
研究人员将脂肪酶固定于多层石墨烯表面，通过疏水界面稳定脂肪酶的开放构象促进界面活化，并原位生成Cu、Pd纳米颗粒。Pd/Cu合金纳米颗粒与Cu纳米花状结构的形成取决于合成条件。更换脂肪酶支架（TLL替代CALB）及组合多酶体系（TLL与皱褶假丝酵母脂肪酶CRL）可精确调控金属纳米颗粒的尺寸与组成，为多组分协同催化提供了平台。
**3. 酶介导金属纳米颗粒形成的配位驱动机制**
通过分子动力学模拟，研究人员揭示了Pd纳米颗粒（Pd??、Pd??、Pd???、Pd???簇，约0.8–2.3 nm）与CAL-B的结合受蛋白质–金属形状互补性支配。随尺寸增大，相互作用模式由饱和接触转向分散不饱和结合，且金属掺入会反馈影响酶构象动力学与催化性质。表3系统比较了CALB、TLL、GTL、硝酸盐还原酶(NRase)、酪氨酸酶、葡萄糖氧化酶(GOX)、CRL等支架的配位残基及其在成核、还原、稳定化中的角色。
**4. 纳米生物杂化物的放大合成**
研究人员证实了连续流反应器（10 L·h?1通量）可成功放大铜基纳米生物杂化物合成，并使用低成本商业脂蛋白替代纯化酶以解决经济性挑战。机械化学法在无溶剂或少溶剂固态条件下合成了锌基杂化物，微滴辅助超快合成法在数秒内完成酶/Pd杂化物制备，时空产率提高2–5个数量级，为工业化生产提供了可行路径。
**5. 纳米生物杂化物的新兴催化功能应用**
**5.1. 生物催化与精细化学**
**5.1.1. 碳–碳键形成**
CALB-Pd纳米杂化物（~4 nm Pd颗粒）在Suzuki–Miyaura偶联中于水相仅需20 ppb Pd即可实现定量联芳烃生成，循环5次活性不变；在Heck反应中于含25%水、70 °C温和条件下实现定量转化。Fe基杂化物作为概念验证可用于Heck反应且具有超顺磁回收优势。Pd杂化物实现了吲哚衍生物的C2选择性芳基化，并首次成功应用于蛋白质中色氨酸残基的位点选择性修饰；PdO-TLL杂化物高效催化双吲哚甲烷的一锅合成。
**5.1.2. 选择性氧化/还原过程**
Cu基纳米杂化物实现苯室温直接羟基化制苯酚（Cu?O杂化物选择性>99%）。Mn基胶体金属酶（γ-MnO?纳米线）展现出超过商业漆酶两个数量级的氧化活性。Pd杂化物在苄醇氧化中表现出与支架脂肪酶一致的对映体偏好；Au人工金属酶通过半胱氨酸位点工程调控苯乙酮不对称还原的对映体过量值，首次证明蛋白质手性可转移至金属纳米颗粒催化表面。Au杂化物在硝基芳烃还原中创纪录的高转换频率(TOF)及NADH再生能力进一步拓展了应用范围。
**5.1.3. 级联反应**
CALB-Pd杂化物在芳香胺动态动力学拆分(DKR)中效率较Novozym 435/Pd-C组合提高7倍以上，Pd介导的外消旋化活性在部分情况下超过商业Pd/C达50倍，突破50%产率极限。pNPP到pAP的一锅转化（酶水解+金属还原）在室温水相80 μg催化剂下1 h内完全转化；含PdCu合金的固定化杂化物实现了酶水解+两步金属催化的三组分串联转化。G/CALB-CuNPs杂化物实现全乙酰化葡萄糖醛酸的选择性脱保护–氧化–糖苷化级联。AuNPs-CALB与AgNPs-CALB（葡聚糖稳定）杂化物催化外消旋联烯乙酸酯的动力学拆分与环异构化串联反应，获得高达93–95% ee的二氢呋喃衍生物。
**5.2. 环境修复**
**5.2.1. 有机化合物降解**
Cu?O@CALB杂化物在室温下5 min内实现85%三氯乙烯(TCE, 112 ppm)降解，且未检测到高毒性氯乙烯中间体；对1,1-二氯乙烯(1,1-DCE)在1 min内达到约94%转化。Cu?O@CALB在pH 8下20 min内实现>95%双酚A(BPA, 45 ppm)降解。石墨烯负载的Cu?O-TLL杂化物（G@Cu?ONPs–TLL）在室温50 min内完全降解罗丹明B(RhB, 48 ppm)，且可回收重复使用。Fe基CALB-FeCO?杂化物（纳米棒形貌，pH 4最适；纳米颗粒形貌，pH 7最适）在2–3 min内完全降解100 ppm对氨基苯酚(pAP)，催化剂用量仅1 g·L?1；降至0.2 g·L?1时约15 min实现完全降解。
**5.2.2. CO?捕集与催化转化**
Zn-蛋白纳米杂化物（以β-乳球蛋白、枯草杆菌蛋白酶、CALB、TLL为支架）在自然光下实现约21%（67 ppm）CO?转化率，Zn-枯草杆菌蛋白酶达24%（75 ppm）；Zn-CALB在365 nm紫外照射下达39%（122 ppm），在410 nm氙灯（模拟太阳光）下达50%（83 ppm/h），证实蛋白支架调控ZnO形貌与光吸收能力。新型Mg杂化物无需额外光照即可转化水中溶解CO?达277 ppm，并可直接去除大气CO?。
**5.3. 生物污染物修复**
**5.3.1. 广谱抗菌效率**
Cu?(PO?)?纳米花-CALB杂化物（约1 μm）在500 μg/mL及0.5% H?O?存在下，30 min内使SARS-CoV-2病毒载量降低近3个对数级，对HCoV-229E降低3 log、HRV-14降低4 log，对噬菌体Phi-X174在5 min内降低99.999%。引入还原步骤（10%还原剂）后，Cu杂化物对大肠杆菌、肺炎克雷伯菌、耻垢分枝杆菌分别实现82%、76%、96%的细菌减少。Ag/Cu双金属杂化物（4 wt% Ag）在125 ppm、4 h下对大肠杆菌实现3.9 log减少；在1000 ppm下对肺炎克雷伯菌和铜绿假单胞菌分别减少7.8 log和4.3 log；对耻垢分枝杆菌16 h抑制率达98%。该Cu/Ag-CALB杂化物在200 ppm+H?O?条件下对HCoV-229E减少2.3 log、HRV-B14减少4.4 log；在1000 ppm下对猴痘病毒(MPOX)抑制率达90%，对猪繁殖与呼吸综合征病毒(PRRSV)减少约99.999%。此外，以葡萄糖氧化酶为支架的CoOOH光催化杂化物（约73 nm花状颗粒）在太阳光照射2 h后使肠球菌减少2.5 log。
**5.3.2. 抗菌涂层应用**
Cu-CALB杂化物被成功掺入聚丙烯、聚乙烯、棉及聚苯乙烯等织物（包括外科口罩和过滤器）。聚丙烯和过滤器织物表现出超过4 log的病毒载量减少，且经四次洗涤后效率保持。含500 ppm杂化物的涂料在室温30 min内使HCoV-229E减少4 log、SARS-CoV-2减少>99%，在25–70 °C宽温域及12个月储存后仍保持抗病毒性能。针对微生物 influenced 腐蚀(MIC)，Cu/Ag(4 wt%)杂化物对硫酸盐还原菌(SRB)和黏液形成菌(SFB)在≤100 ppm浓度下实现>98%的减少，并可几乎完全抑制SRB在钢片上的黏附。对海洋生物膜菌Cobetia marina的预成膜处理在250 ppm、6 h暴露后实现>2 log活菌数减少，生物膜厚度降低48%、生物体积减少60%。
**总结讨论与结论**
研究人员强调，纳米生物杂化物的催化性能并非由酶或金属的单一属性决定，而是源于蛋白质支架、纳米颗粒组成、氧化态、尺寸形貌、空间定位与活性位点可及性之间的协同效应。现有文献中识别出的构效关系具有情境依赖性，而非通用的预测规则；催化剂性能由蛋白质–纳米颗粒界面的集成架构所支配。未来研究应聚焦四个方向：一、通过蛋白质工程、分子动力学模拟、光谱学与原位结构表征的结合，建立氨基酸环境与金属配位、成核及选择性的定量关系，实现对金属活性位点的精确定位；二、开发负载型与多金属架构以解决长期稳定性问题，采用标准化循环协议评估酶失活、颗粒生长、金属流失等退化机制；三、围绕空间程序化级联催化设计多组分体系，明确调控位点间距、局部极性及底物传质以实现动力学耦合；四、推进环境与抗菌应用从概念验证批次实验走向实际运行环境验证，同时量化金属释放、转化产物及毒性。跨领域的关键挑战是放大生产，需建立包括混合、传质、停留时间分布、批次重现性及下游纯化在内的定量过程–结构关系，并探索低成本蛋白质源以降低生物组分经济成本。最终，纳米生物杂化物从实验室材料向实际技术的转化，将取决于同时证明其可预测的分子设计、长期操作稳定性与规模化制造能力。研究人员总结道："Rather than pursuing increasingly complex hybrid compositions solely for higher initial activity, future development should prioritize materials whose structure, catalytic mechanism, durability, metal retention, and manufacturing process can be quantitatively connected."即不应单纯追求初始活性更高的复杂杂化组成，而应优先发展其结构、催化机理、耐久性、金属保持率与制造过程可被定量关联的材料。建立这些结构–功能–工艺关系，将是酶–金属纳米生物杂化物转变为可持续合成、环境修复与病原体控制的稳健且可扩展平台的决定性步骤。
