纳米酶学者零距离 | 专访中国科学院生物物理研究所高利增研究员
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*本文首发于“纳米酶Nanozymes”公众号，2023年10月7日
*编辑：张晓婷
ChinaNANO 2023 (Topical Session-15: Nanozymes)会议在北京顺利召开，聚集了国内外纳米酶领域的多位专家与学者。我们有幸邀请到了来自中国科学院生物物理研究所的高利增研究员。在今天的这期内容里，高利增研究员详细介绍了课题组研究的两个方面（基础研究和应用研究），与此同时，高老师也分享了自己在科研方面的一些心路历程和建议以及自己对于学生培养的看法。
简介
高利增研究员
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简历
高利增研究员是中国科学院生物物理研究所研究员，课题组长，博士生导师，入选海外高层次人才计划青年项目，担任中国科学院纳米酶工程实验室副主任，中国生物物理学会纳米酶分会副会长，中国生物物理学会理事。其于2006年博士毕业于中国科学院生物物理研究所，2006-2015年分别在美国匹兹堡大学、康奈尔大学和宾夕法尼亚大学从事博士后研究工作，2015年加入扬州大学医学院，于2019年调入中科院生物物理所中科院纳米酶工程实验室。
02
研究方向
研究方向主要包括纳米酶新材料的的设计与合成，以铁基纳米材料为核心，模拟含铁天然酶的催化活性中心，开发具有高活性、高稳定性的人工模拟酶；以纳米酶为基础建立了多种抗菌抗感染新策略。
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课题组成果
1. 首次报道了四氧化三铁具有类过氧化物酶催化活性，是一种新型的模拟酶，为纳米酶的发展奠定了基础；仿照天然酶活性中心结构理性设计纳米酶，提高其催化活性接近或超越天然酶。
2. 建立纳米酶清除生物膜耐药菌和抑制胞内菌的方法并阐明了相关机制，提出了人工模拟免疫系统防御细菌等病原微生物的概念与方法；纳米酶具有杀菌特异性和选择性。
3. 发现细菌铁死亡现象，纳米酶诱导细菌发生脂质过氧化，并且巨噬细胞抑制胞内菌也是通过调控铁死亡，表明细菌铁死亡是一种新的杀菌机制；并且这一机制拓展到灭活病毒和增强疫苗免疫效果。
4. 推动纳米酶转化应用，在口腔龋病、细菌性阴道炎防治方面开展临床相关研究，并进行产业转化。共发表论文110余篇，主要包括Nature Nanotechnology, Nature Communications, Nature Protocols, Advanced Functional Materials, Advanced Science, Nano Today, Biomaterials, Theranostics等杂志，相关研究成果获得北京市科学技术进步一等奖（第二）和国际牙医协会口腔护理创新奖。
采访
采访照片
01
Q: 高老师，我们了解到您的课题组主要是做两个方面的内容，一个是研究纳米酶活性的催化机制来实现纳米酶活性的提升，另一个是做抗菌方面的研究。您能给我们详细介绍一下吗？
A: 这两个方面主要是涉及到纳米酶的两个问题：一个是纳米酶的基础研究，一个是纳米酶的应用研究。对于基础研究，其实有的时候很难界定我们是做活性提升的，还是构效关系提升。因为活性的提升离不开材料基础，要找到合适的材料甚至要自己去合成新材料。有了材料才能去做活性提升优化，去改造材料，去做构效关系解析。刚刚你们提到我们组的重点是做活性提升，但活性提升只是最终的目的。即使是基础研究，它也是综合涉及了很多方面。因为我本身是生化出身的，其实不是特别擅长材料合成和材料表征，我们更多的是从酶学角度去研究材料的酶学特性，例如酶促反应动力学，包括最适反应条件（pH、温度和缓冲溶液等）、*制剂抑**和激动剂等。我们做生物的知道，其实有些酶不见得完全遵守米氏反应方程，有些比较复杂。我们当时学生化的时候，在研究这些反应动力学的时候，甚至要引入一些*制剂抑**，在抑制条件下进行反应。其次就是反应机理，我们说的反应机理不是化学上的反应机理，是酶学上的反应机理。比如，我们早期说的HRP酶的催化，它有两个反应底物，一个是双氧水，另一个是TMB。我们说的乒乓机制就是一个底物上去反应完了之后，另一底物再上去接着反应。再比如，有些酶有两个反应底物，一个反应底物先上去，但它只是结合（并没有发生反应），等另一个反应底物也上去之后，这时候才开始发生反应。再比如，有些天然酶最开始的时候反应并没有选择性，比如它可以和底物1，2，3，4和5进行反应，但当这种酶跟某种底物反应之后，它就只跟该种底物反应了，再也不跟其他底物反应了。而化学的催化机制主要是关注催化活性中心的几个原子之间，与酶学的催化机制有所区别。
你们刚刚提到的催化活性的提升，我们测比活或者Kcat。我们常说纳米酶活性可以用比活来衡量，但在酶学上，比活不是用来比较酶活性高低的，而是用来比较酶纯度的。对生物酶来说，因为它是蛋白，在纯化过后可能会掺杂入杂质。纯的生物酶的比活是不变的，掺入杂质后，它的比活会降低。即使纯化出来是纯的生物酶，但有部分变性了，它的比活也会降低。比活是用来判断生物酶的质量的，我们只不过是把这个概念引入到纳米酶中来。但原则上，纳米酶在进行比较的时候，肯定要用各种方法、从各个角度都去比较，不一定非得用单一的指标，这是酶学的一套东西，我们去设计或者提升纳米酶更多地愿意去参照天然酶。我的理解是提升或改造纳米酶其实有两个角度，一个是从纳米的角度，去调控尺寸、调控形貌等，另一个是从酶学角度，能否在纳米结构里面尽量设计一些跟我们天然酶类似的催化活性结构。一开始大家研究纳米材料的比较多，现在大家为了提升它的性能，包括单原子纳米酶，是通过更好地去模拟天然酶的结构来提高它的催化活性。我推测将来有可能不仅仅是模拟催化活性中心结构，还会模拟蛋白的结构。例如我们研究所的邹承鲁院士，他很早就提出了酶的柔性学说，解释了为什么酶在局部有好的选择性，就是因为它的局部结构会有微小的改变，但大体的结构不会发生变化。因此我们在纳米酶里面设计引入柔性策略说不定会对纳米酶的选择性有一定的提升，只是这种设计的难度会更大。
第二个研究方向就是生物医学方面，前面提到我们实验室主要应用是抗菌相关，但也不仅仅局限于抗菌，只不过我们一开始是从抗菌、抗病毒方面去切入的，原则上我们许多抗菌的材料也可以去做抗肿瘤或者是抗氧化。因为我们的很多纳米酶它不只有一种催化活性，很多时候我们只是应用了它的某一个方面，我们只是相对在抗菌或者抗病毒方面做得多了些。我最早在国外接触的是生物膜，也是从那时做起的，既然做了，就想着沿这个方向继续做下去。虽然刚刚我们说过纳米酶可以在多个方面都有一定作用，但我不认为一种纳米酶可以满足所有功能需求。有些纳米酶可能很适合去做抗菌或抗病毒，但有些纳米酶可能很适合去做肿瘤。我们认为做抗菌或抗病毒做得多了，一方面会对纳米酶的活性和性能有更深入的理解，另一方面也会对抗菌端的需求和问题有更深入的了解，这样的话就能帮助我们更好地筛选哪些纳米酶适合用于抗菌抗病毒领域。我们做实验不能有局限性，我经常跟大家说做什么研究都可以，但是要把它做系统。如果随便拿一种材料就去抗菌或杀病毒，那么它的新意在哪呢？你要找到新意，要么就是在材料端找到创新，要么就是在应用端，常规的细菌肯定不太行。其实我们在实验室做抗菌方面，我们一般叫应用研究，主要是研究它怎么杀菌的，最后真正应用到跟疾病结合只是一个展示，更多的重心是在研究它的杀菌机制上。我们早期研究氧化铁和双氧水结合杀菌的效果很好，其实这个不是很难，我们只是把纳米酶引入进来，从杀菌这个角度去应用它。但是慢慢的，我们在做抗菌的时候意识到，我们用纳米酶来杀菌，其实不只是抱着用材料来杀菌的想法。我在这两年讲报告也提到纳米酶本身是一个仿生的东西，并不仅仅是用纳米酶来杀菌，我们其实是想做到进一步的仿生，比如用纳米酶来仿生巨噬细胞的这种溶酶体环境，它是一个更加复杂的系统。我们的纳米酶进一步发展，将来可能是更高维度的仿生。应用端我们说到的杀菌或杀病毒的，更多的是研究它的机制，如果真的转化到实际应用，我们还有很长的路要走。
02
Q: 高老师，您刚刚提到了使用纳米酶来模拟巨噬细胞的溶酶体环境，您能给我们介绍一下纳米酶是怎么做到模拟它的功能吗？
A: 巨噬细胞我们都知道，它可以吞噬外来的细菌或病毒，是人体主要的杀菌细胞。外来的细菌或病毒被它吞噬后，它首先形成吞噬体，吞噬体就是一个囊泡把细菌包裹起来，吞噬体也开始慢慢地变为酸性，例如变成pH 6.5，这个阶段杀菌效果还不太行。吞噬体进入细胞后会跟溶酶体融合，溶酶体具有很强的酸性，同时溶酶体带来大量的氧化还原酶，产生ROS，快速地杀死细菌。除此之外就是溶菌酶、蛋白水解酶和核酸酶，进一步把细菌的尸体分解掉，进一步分解为小片段、小分子后再递呈给免疫细胞产生抗体以及后续的免疫反应，这就是巨噬细胞溶酶体的功能。现在的纳米酶是有氧化还原酶活性，那我们就可以判断它至少模拟了快速杀菌阶段这一部分的功能。当然我觉得用纳米酶来模拟其他的亚细胞器复杂功能的时候主要有两个思路，一个思路就是设计一种纳米酶让它有更多的功能，另一种就是多种纳米酶组合，这种思路也具备非常大的可能性，但是难度也不小。
纳米酶现在应用的更多的是细胞外的杀菌，这种相对容易，如果进入细胞，可能首先纳米酶本身就会对细胞有一定的毒性。杀菌纳米酶的毒性相对比较小，而杀病毒的对细胞毒性就很大，主要原因就是氧化酶活性对病毒的脂质囊膜进行破坏，病毒的脂质囊膜和细胞膜的成分一样。所以虽然我们说我们的纳米酶是模仿了溶酶体的部分功能，但真正使用的时候我们是把它作用于细胞外，并不是说将它引入到细胞内发挥作用。但我知道也有一些实验室自己构建了一个类似于细胞的简单结构来应用。
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Q: 高老师您在07年作为博士生，跟着阎锡蕴老师在做肿瘤探针分子时，偶然发现作为阴性对照的四氧化三铁具有相反的实验结果，您当时的心态是怎样的呢？在不断重复实验依旧得到相同的结果，您最初的感受是什么呢？
A: 其实记不太清了，因为那时候比较早，零几年的时候，研究纳米生物的人不太多。我在阎老师这边其实同时做好多课题，四氧化三铁的课题只是其中一个。在观察到这个现象的时候，我之所以会从酶学的角度出发呢，是因为我当时在吉大的时候，有一点酶学背景，有多肽合成背景，我经常做ELISA。当时最初的想法是阎老师这边有抗体，物理所那边提供磁性纳米颗粒，我们通过共价偶联之后验证一下有多少抗体偶联到了磁性纳米颗粒上，我们用ELISA来进行试验。我们生物实验和化学实验很大不同的一点就是即使我们得到了想要的结果，我们要做很多对照来验证这个结果的合理性，我们生物实验是特别强调对照的。做实验的时候发现很多对照组的背景也很高，碰到这种现象我们首先是怀疑是不是哪些实验方法做的不对呢，然后排除各个条件。排除各个因素的过程肯定是非常痛苦的，因为我们不知道原因，要不停地重复。重复多了，大家就讨论了一下，看看是不是四氧化三铁真的有催化活性。因为我有酶学的背景，我直接就用酶学方法研究了一下，确实发现酶反应动力学的过程跟HRP酶很相似。
04
Q: 高老师，您最欣赏什么样的学生呢？在科研探索中，您会注重锻炼和提升学生哪些方面的能力呢？
A: 每个人的风格不一样，我在做博后的时候也待过三个地方。我在美国做博后的时候，第一站是在匹兹堡大学，是在化工系的。那时候的导师是刚毕业新成立实验室，指导的就不是很多，他希望你能自己独立做东西。在康奈尔大学的时候，导师是放养式的模式，他的好处就是不给什么压力，坏处就是文章写好之后，改得特别慢。最后一站博后在宾夕法尼亚大学，在那的导师就是管理得很细，做个实验试管里面要加几微升要跟他讨论清楚，用枪头混匀几次也要跟他讨论清楚。他这样的好处是事先讨论清楚后做实验会比较顺利，因为各种对照都设计得比较好，出结果也会比较快，但讨论时可能会比较痛苦。到我的实验室里，我觉得我会根据学生的特点，有的学生爱自由探索，那他就自己做。有些学生说自己可能想法不是很多，需要老师一步步带着。这两种我觉得都可以。我只能说我喜欢积极主动的学生，无论哪种风格，你得做事才行，要不然说得再好，没有积极主动性那不行。我有的时候跟学生在实验室开玩笑，你自己偷偷摸摸做，不用告诉我，等做差不多了，你觉得这个结果有意思，你跟我再讨论，你可以自己前期尝试，我鼓励你尝试。做东西不局限于抗菌，不局限于纳米酶。无论是生物医学基础研究问题，还是纳米生物的都可以，只要你发现有趣的点，我们都鼓励你去继续探索，我一般在实验室都是这么强调的。
结束语
衷心感谢高老师百忙之中可以抽出时间接受纳米酶公众号的采访，祝高老师工作顺利，万事胜意！也感谢采访一线人员们、后期审阅、编辑人员们的辛苦付出！
采访嘉宾：高利增研究员
采访人：赵婧媛、龙超、朱晨欣、冯佳媛
撰稿：赵婧媛
审阅：梅琦
编辑：张晓婷