纳米酶是一类在生理条件下能够将底物转化为产物并展现酶动力学行为的新型人工酶，广泛应用于生物催化、环境监测和医学诊断等领域。与天然酶类似，纳米酶也可以根据其催化功能进行分类，如氧化还原酶、水解酶、裂解酶和异构酶等。此前，材料学院朱之灵特聘教授应邀在《ACS Nano》上发表了题为《纳米酶的理性设计策略》的综述论文（ACS Nano2023,17, 14, 13062-13080），该论文入选ESI热点论文和ESI高被引论文。论文系统总结了氧化还原纳米酶的理性设计方法，为纳米酶的筛选和预测提供了理论指导，得到了广泛关注。

水解纳米酶是纳米酶体系中另一类重要类别，广泛应用于化工、制药、环境修复、食品加工、生物技术和医学等多个行业。尽管其应用前景广阔，但目前对水解纳米酶的研究仍十分有限。在理解水解纳米酶的催化机制和设计策略方面，仍存在关键空白，严重制约了其理论发展和实际应用。因此，系统梳理和总结水解纳米酶的催化机制与设计方法，对于其进一步开发和应用具有重要意义。

近日，材料学院朱之灵特聘教授等发表了一篇关于水解纳米酶的综述论文。该论文题为“Leveraging Mechanistic Insight to Design Hydrolytic Nanozymes”，发表于化学与材料领域的国际顶级期刊《Coordination Chemistry Reviews》（中科院一区TOP期刊，影响因子20.3）。材料学院研究生张子祺、陈震为共同第一作者，本科生张怡清、王梓畅为共同作者，朱之灵特聘教授和刘静特聘教授为共同通讯作者，青岛科技大学为唯一单位。

该论文从结构组成和底物类型两个方面系统性地综述了水解纳米酶的催化机制，并探讨了从仿生设计策略到前沿的数据驱动方法等设计途径。

（1）水解纳米酶的分类：作者从两个主要角度对水解纳米酶进行了分类。首先，基于结构组成，水解纳米酶分为两类：1型纳米酶由小分子催化剂或酶组成，而2型纳米酶则依赖纳米材料的表面催化。其次，依据水解底物的类型，这些酶可进一步分为四类：(a)羧酸酯水解纳米酶，可分解羧酸酯键；(b)酰胺水解纳米酶，可裂解酰胺键；(c)磷酸酯水解纳米酶，作用于磷酸酯键；(d)糖苷水解纳米酶，能够水解糖苷键。作者详细总结并讨论了1型和2型水解纳米酶的催化机制及其在各类水解反应中的应用。

（2）水解纳米酶的仿生设计：作者将水解纳米酶的仿生设计方法分为两类。一类是通过模拟天然酶的活性位点，构建具有水解活性的空间结构、电子结构和催化微环境。另一类是基于路易斯酸碱催化机制进行设计。研究表明，路易斯酸性在水解过程中起关键作用，通过与反应物中电负性高的元素配位，降低其电子密度，从而提高亲核攻击的可能性，显著提升反应速率。此外，路易斯酸可稳定水解过程中产生的不稳定中间体（如碳阳离子或阴离子），从而防止副反应。通过设计高路易斯酸性的活性位点，可获得高催化活性的水解纳米酶。

（3）水解纳米酶的计算驱动设计方法：基于计算驱动的设计方法为水解纳米酶的开发提供了新思路。计算模拟可用于建模原子和分子的结构与动态特性，目前主要使用密度泛函理论（DFT）进行设计。通过DFT创建的水解纳米酶模型，使研究人员能够在原子层面研究其水解活性位点和反应机制，从而揭示影响反应活性的因素，为水解纳米酶的设计提供理论依据。

（4）水解纳米酶的数据驱动设计方法：随着水解纳米酶的不断发现，研究材料的范围快速扩展。然而，依赖试错法发现新材料存在局限性。对水解纳米酶的大量计算与实验数据的分析促成了数据驱动设计策略的诞生。该策略系统地收集、整理和分析数据，并结合物理化学等相关理论知识，从而揭示材料组成、结构、催化过程和性能之间的关联，为水解纳米酶的靶向设计提供指导。

（5）总结：水解纳米酶作为天然酶的潜在替代品，克服了诸如苛刻的反应条件、易失活和高生产成本等限制。然而，由于水解纳米酶的催化机制、构效关系复杂，设计与开发中仍面临诸多挑战。作者系统性评估并整合了该领域的进展，特别强调了不同类型水解纳米酶的机制和设计策略。然而，在该领域的发展过程中，水解纳米酶的进一步突破仍受到一些障碍的限制。对此，作者提出了对该领域未来发展的见解和建议。

总之，水解纳米酶作为新一代人工酶，具有较高的研究价值和广阔的应用前景。深入研究其催化机制与设计方法对于推动水解纳米酶的进一步发展具有重要意义。通过对水解纳米酶的系统性总结与展望，将有效推动相关领域的进步。

本工作得到了国家自然科学基金、泰山学者人才工程、山东省大学生创新创业训练计划等项目的资助，同时感谢陈德宏教授对本课题的宝贵帮助。

原文链接：https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0010854524006866