【材料】Angew：脂肪酶驱动、可以降解油滴的纳米马达

近年来，微纳米马达在货物运输、传感器、生物医学和环境修复领域备受关注，目前马达的动力来源主要有催化反应、电场、超声、磁场和光刺激等。无需外界能量的酶催化反应是微纳米马达体内应用的关键所在，可以无需外界刺激直接利用体内的各种底物为马达供能使之运动。目前已经有各种基于酶催化的微纳米马达被开发，比如超分子口形红细胞、囊泡、碳纳米管、硅纳米管等。但是目前还没有研究探索可以在油溶液或者油水界面运动的酶催化马达。

基于此，巴塞罗那科学技术研究所的Samuel Sanchez教授带领他的研究小组于近日开发了一种脂肪酶供能的纳米马达（lipase-powered nanomotors，LNMs），这种马达由介孔硅纳米颗粒吸附脂肪酶形成，可以在甘油三酯溶液中游动，从而提高了甘油三酯的降解速度。相关研究成果发表在Angew. Chem. Int. Ed.上，题为“Lipase-powered mesoporous silica nanomotors for triglyceride degradation”（DOI: 10.1002/anie.201900697）。

（图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.）

脂肪酶可以催化甘油三酯底物水解，如三乙酸甘油酯和三丁酸甘油酯。这种催化反应一方面可以给马达供能促进其运动，另一方面也可以加速甘油三酯液滴的降解。由于三乙酸甘油酯是FDA批准的食品添加剂，因此适合在生物学和环境领域应用。此外，这种LNMs的酶解效率还高于游离的脂肪酶和其他酶解马达。

作者先合成了表面为氨基的介孔硅纳米颗粒（mesoporous silica nanoparticles，MSNPs），粒径在431 nm左右，然后通过戊二醛实现了MSNPs和脂肪酶之间氨基的交联，从而将脂肪酶固定在MSNPs表面。作者通过形貌、电势、荧光标记等手段验证了脂肪酶成功键合在MSNPs表面。作者也通过酶解实验表明脂肪酶修饰的MSNPs具有脂肪酶的催化活性（Figure 1）。

作者先选用三乙酸甘油酯作为底物研究LNMs的催化活性和运动性能(Figure 2)。由于酶解反应会产生乙酸，因此作者在pH=7.4的PBS溶液中加入了石蕊为指示剂，结果发现加入LNMs 3 h后溶液由蓝色变为了粉色，这进一步证明了酶的活性。通过与不同浓度的三乙酸甘油酯共同孵育，作者发现LNMs的均方位移（mean squared displacement，MSD）与其浓度成正比，有效扩散系数（effective diffusion coefficient，De）也随着底物浓度的增加而增加。在10 mM的三乙酸甘油酯PBS溶液中，LNMs可以持续运动40 min，随后De降低至基线水平。

（图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.）

为了探索LNMs降解甘油三酸脂的能力，作者选用微溶于PBS的三丁酸甘油酯，它可以在PBS溶液中形成不溶的液滴。作者发现三丁酸甘油酯可溶解的浓度水平（0.133 mg/mL）无法为LNMs供能促进其运动，因此作者又往其中加入了10 mM的三乙酸甘油酯，从而使LNM的De从0.78 μm²/s上升至1.096 μm²/s，当这些马达到达油水界面的时候，它们会由于脂肪酶的两亲性而被固定在这个界面上，De=0.174 μm²/s，这就导致了脂肪酶和三丁酸甘油酯发生界面催化反应，从而促进了三丁酸甘油酯液滴的降解。

（图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.）

为了对液滴的降解动力学进行研究，作者在溶液中加入了石蕊，并通过溶液的颜色变化对其pH进行了定量分析。作者发现催化反应可以很快降低局部的pH，10分钟后三丁酸甘油酯液滴周围的pH就降低至4.5，液滴的粒径从11.36 μm变小到9.65 μm。随着时间延长，液滴粒径持续减小，溶液开始变红，50 min后液滴完全降解，溶液变成粉红色（Figure 3）。

最后，为了突出LNMs降解三丁酸甘油酯的优势，作者比较了没有酶的MSNPs、三乙酸甘油酯、尿素酶MSNPs纳米马达、尿素酶MSNPs纳米马达+尿素、游离脂肪酶、游离脂肪酶+三乙酸甘油酯、LNMs、LNMs+三乙酸甘油酯这一系列产品的降解性能。结果表明，没有脂肪酶的所有产品几乎不降解三丁酸甘油酯，而LNMs+三乙酸甘油酯这一组的降解速度明显比游离脂肪酶+三乙酸甘油酯更快(Figure 4)。作者从而得出结论：LNMs+三乙酸甘油酯的降解性能显著优于其他组，这是因为脂肪酶降解三乙酸甘油酯促进了LNMs的运动，增加了LNMs接触液滴的机会，最终促进了液滴的快速降解。

（图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.）

小结：基于脂肪酶的催化反应可以促进MSNPs在含有三乙酸甘油酯的PBS溶液中的运动，从而加速液体中三丁酸甘油酯液滴的降解，其降解性能显著优于游离的脂肪酶和尿素酶驱动的纳米马达。这些结果表明，这种脂肪酶驱动的纳米马达可以在高甘油三酸脂相关疾病的生物医学领域及去除油的环境净化领域应用。但是目前还需要研究这些马达在被油污染的水中的稳定性和活性，以及这些马达与油滴的相互作用。