自2007年Fe3O4纳米颗粒被发现具有过氧化物类酶活性以来，纳米酶的催化机制由于其对纳米酶理性设计的重要指导意义而受到广泛关注。尽管近年来已有大量综述文章对纳米酶催化机制进行总结，但其多以材料种类或调控方法进行分门别类讨论，使得通用的底层规律难以提炼。此外，目前综述文章主要聚焦纳米酶的催化活性和选择性，而作为纳米酶实际催化效率的重要影响因素之一，纳米酶的催化可持续性及其内在机制往往被忽视。
在此背景下，江苏省生物材料与器件重点实验室张宇教授团队跳出“材料/调控方法划分”固有框架，以催化反应路径为主线，逐步拆解氧化还原型纳米酶的催化全过程，对纳米酶的催化活性、选择性和可持续性相关机制进行了系统梳理（图1）。
图1氧化还原型纳米酶的催化反应路径、催化活性/选择性/可持续性调控、催化机制指导的纳米酶理性设计与应用
01 天然氧化还原酶的催化路径分析
文章首先回顾了天然氧化还原酶的催化路径（图2），着重指出天然酶疏水活性中心周围的氨基酸对促进底物特异性结合、介导质子耦合电子转移、外层电子转移等过程的重要意义。
图2天然氧化还原酶催化路径示意图
02 氧化还原型纳米酶催化路径分析
随后，文章对氧化还原型纳米酶催化过程中的电子转移顺序、底物吸附与活化、反应活性中间体生成与转化和产物脱附进行归纳总结，指出每一个反应步骤都可能直接影响其最终催化性能（图3）。与天然酶相比，纳米酶的催化路径涉及高度多变且复杂的底物活化和反应活性中间体演变过程，而天然酶催化过程中的广泛存在的质子耦合电子转移、外层电子转移现象在纳米酶中鲜有发生。
图3氧化还原型纳米酶催化路径分析
03 纳米酶催化活性、选择性的底层调控逻辑以及催化可持续性的重要性
1.催化活性突破机制
（1）基于Sabtier原则，通过调节纳米酶对底物吸附能力至适中状态以提升催化活性；
（2）构建多活性位点，通过中间体溢流等效应实现协同催化以提升催化活性；
（3）通过促进高活性自由基大量生成以提升催化活性；
（4）通过优化催化微环境，促进产物H2O脱附以提升催化活性。
2.催化选择性实现机制
（1）基于能级匹配原则实现纳米酶催化活性的激活与抑制以提升实现反应选择性；
（2）基于纳米酶对不同催化底物吸附能力的差异性以提升反应选择性和底物选择性；
（3）通过调控催化过程中所生成反应活性中间体的种类以提升反应选择性和底物选择性。
3.催化可持续性的重要意义
纳米酶的催化可持续性对纳米酶的实际催化效率具有重要影响，其主要由纳米酶的胶体稳定性和表面化学稳定性决定。文章基于课题组的系列工作，对纳米酶在长时程催化过程中可能发生的表面结构化学转变和可持续性变化进行了重点探讨（图4）。
图4氧化还原型纳米酶催化可持续性影响因素
04 未来研究方向
基于纳米酶催化机制研究现状，文章对未来研究方向进行了展望，具体包括明确催化路径、发展活性提升新方法、深入研究催化选择性、开展基于真实应用场景的催化机制研究、使用人工智能辅助催化机制研究等（图5）。
图5氧化还原型纳米酶催化机制未来研究方向
该工作以“Deciphering the Catalytic Mechanism of Oxidoreductase-Like Nanozymes Along the Reaction Pathway: Activity, Specificity and Sustainability”为题发表于Advanced Materials，江苏省生物材料与器件重点实验室博士生封开政为论文的第一作者，重点实验室张宇教授、马明副教授、武昊安副教授和魏小丽博士后为论文的共同通讯作者。
研究进展