1.细菌的危害
皮肤是人体抵抗外部病原体的第一道物理屏障，当皮肤屏障受到损伤时，细菌会侵入、生长、繁殖[1]。细菌感染不仅会增加伤口愈合的难度，还可能引起败血症等并发症危及生命。如常见的大肠杆菌、金黄色葡萄球菌和枯草芽孢杆菌等，生活中无处不在。大肠杆菌污染的食品被食用后，可能导致急性食物中毒。许多大肠杆菌菌株会在肠道内产生毒素，引发剧烈的胃肠道症状，如腹痛、腹泻、恶心和呕吐等。尤其是在O157等高毒性菌株感染的情况下，症状可能更加严重，甚至会伴随血便，导致患者脱水、虚弱，进而危及生命[2]。而金黄色葡萄球菌是医院和社区中最常见的病原菌之一[3],常存在于人体鼻腔和皮肤，其产生的毒素和侵袭性酶，可引起人类患上坏死性肺炎、菌血症等疾病[4]。不同部位分离出的耐甲氧西林金黄色葡萄球菌(methicillin-resistant Staphylococcus aureus，MRSA)具有多样性和系统性的区别[5,6],能引起严重的皮肤及软组织感染[7,8]。金黄色葡萄球菌引起的食物中毒事件常发生于世界各国[9,10]。
大肠杆菌，作为是否被分辨污染的“指示菌”，大肠杆菌直接或间接来自于粪便，各类食品的卫生和检验要求，都会对大肠杆菌做出限量要求，根据毒力因子、致病机理和流行病学特征，治病性大肠杆菌有五大类，他们引起的共同症状是拉肚子，问题不大，但是万一遇到O157：H7“大肠杆菌中的战斗菌”甚至可能致死，其致死率高达87.79%。2024年，12·2紫燕百味鸡“大肠菌群”超标事件，测评博主“老爸评测”发布了对紫燕百味鸡卤味产品的检测报告，该博主在测试中采用了“五平行检测”，即每种产品测试5个样品，其中鸭脖和夫妻肺片的大肠菌群检测5个样品都超出了最高安全限量，最高达29000CFU/g，是标准的290倍。许多网友晒出疑似食用紫燕百味鸡产品后，细菌感染就医的就诊记录。网友评论“这还是品牌卤味，路边摊更难想象”，大肠杆菌超标事件警示着我们细菌污染食品所带来的潜在风险，而事实上，细菌的威胁远不止于食品领域。
可见细菌无处不在，许多细菌是致病的元凶，像大肠杆菌能引发严重肠道疾病，金黄色葡萄球菌可导致皮肤感染、肺炎等，严重威胁人类健康。为对抗细菌危害，抗菌剂应运而生并被广泛应用，在医疗、家居、食品保鲜等诸多领域，成为守护人类免受细菌侵扰的有力武器。
2.抗菌剂的发展现状
在过去，应对这些常见的细菌，传统的抗菌方法有抗菌剂的应用、天然酶催化分解。抗菌素是一种生物剂，其可定义为：微生物在生命活动过程中产生的化学物质，在高浓度稀释时能抑制或杀灭他种微生物或者肿瘤细胞，临床使用时，对病原菌的毒力比人体大得多，而在血和体液中能保持他的抗菌作用。绝大部分的传统抗菌剂[11]，是以物理方式附着在被处理基材的表面。抗菌剂通过在物体表面释放或移动方式来作用。采用释放抗菌剂来毒害微生物，已在农业方面使用数十年了。成效不一，由于是物理附着，明显的缺点在于不耐水洗，多次洗涤后抗菌效果大大降低甚至完全消失。除耐久性及使用年限外，这种释放性技术若用在纺织品上，会出许多问题。如它的负面影响。抗菌剂接触皮肤且影响皮肤的正常细菌，穿透皮肤保护层或有可能潜在性地引发红疹性或其他皮肤红肿问题。更重要的是使用释放性技术会造成微生物对抗菌剂的抗药性。
抗菌剂包括无机、有机和天然生物抗菌剂三大类型[12]。无机抗菌剂以新型光催化型和载银的纳米复合型抗菌材料为主要发展趋势,其中光催化型无机抗菌剂依赖光致激发的强氧化自由基而起杀菌作用;载银等金属离子型抗菌剂通过与活性基团如巯基键合或置换金属离子辅基等方式使微生物的生命活性物质失活而起抗菌作用。有机抗菌剂则以开发专效于生物分子(如微生物代谢酶、膜受体等)的抗菌剂为其拓展方向,其通过作用于细胞壁和细胞膜系统、生化反应酶、遗传物质等达到抗抑或杀菌作用。天然生物抗菌剂可来源于所有生物体,主要包括多糖、多肽及糖肽聚合物类物质,是未来抗菌材料的主要发展方向;它们作用于微生物胞外结构层或酶等生物活性物质,影响微生物的运动、跨膜物质运输或生化反应等。不同的抗菌剂对同一种病原菌有不同的抗菌作用机理和有效性,同一种抗菌剂对于不同的病原菌也有不同的抗菌作用机制和抑制范围;得到既长效又广谱、既高效又安全的抗菌剂,对其抗菌机理的研究十分重要。
抗生素是最常见的一类传统抗菌剂,如磺胺类、四环素类、大环内酯类抗生素等被广泛用于多种疾病的治疗。而银类抗菌剂作为一种传统抗菌剂因其具有很好的抑菌效果,而被广泛应用于多种抗菌制剂中,如抗感染伤口敷料、妇科用栓剂、牙科抗菌材料等。但是传统类抗菌剂大多都是通过进入细胞内部来破坏酶的活性，或影响细菌的蛋白质合成、核酸合成、细胞壁合成和叶酸合成等过程来抑制细菌的生长，在这种生存压力下以及传统抗菌剂的滥用，细菌逐渐变为耐药菌株，进而出现了抗性致病菌甚至超级细菌[13]。
总之，传统抗菌素曾在医疗领域广泛应用，有效抵御多种病菌感染，然而随着使用的泛滥，细菌耐药性问题日益严峻，许多传统抗菌素逐渐失效。在此背景下，单原子纳米酶抗菌应运而生。单原子纳米酶具有诸多显著优势。其一，它具有更高效的催化活性，能快速催化H2O2产生氧化性更强的ROS破坏细菌结构进而杀死细菌，抑制细菌生长繁殖。其二，其催化活性可调节，可依据不同需求定制抗菌性能，适应多种复杂的抗菌场景。其三，稳定性良好，在不同的温度、酸碱度等环境条件下都能保持较好的抗菌效果。其四，不易引发细菌耐药性，独特的作用机制使细菌难以产生适应性突变。例如在医疗器械抗菌涂层方面，单原子纳米酶可长效抑制细菌附着与滋生，相比传统抗菌素，能更持久地保障医疗器械的使用安全，为应对细菌感染提供了一种极具潜力的新策略。
3.单原子纳米酶抗菌机制
抗菌素的不合理使用导致细菌耐药性不断增加，对人类健康构成重大威胁，开发具有广谱抗菌性的纳米酶至关重要。Dai等[14]提出了一种通过丙二醇辅助的简单超声破碎方法制备具有高氮空位（NV）的氮化碳量子点（CNQDs）纳米酶。可通过扩散进入微生物内部，·OH对微生物的准确快速攻击，对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、枯草芽孢杆菌和真菌的灭菌率达到99%以上。
不仅如此，Hu等人[15]也提出一种具有优异POD样活性的UsAuNPs/MOF杂交体，用于抗菌治疗。简而言之，UsAuNPs是通过原位还原在超薄2DMOF上生长的。所制备的纳米催化剂由于其超小尺寸以及UsAuNPs和2DMOF的协同效应而表现出优异的POD样活性。与其他抗菌剂相比，合成的 UsAuNPs/MOF 杂化纳米酶可以有效地促进·OH用于较低浓度 H2O2（100×10−6 m）下的抗菌治疗结果显示，在较低剂量的H2O2下，UsAuNPs/MOF的抗菌活性显着提高。H2O2和UsAuNPs/MOF共处理中，金黄色葡萄球菌的存活率显著降低。
Ali等[16]合成了一种可以选择性地结合革兰阳性菌的超顺磁性镍纳米团簇负载二维二硫化钼纳米复合材料（Ni@2D-MoS2）。不同菌株细胞壁的组成和结构不同，通过调整MoS2表面正负电荷的比例，可以实现对不同细菌的选择性识别。Ni@2D-MoS2经带正电配体功能化后，对革兰阳性菌如MRSA和粪肠球菌表现出优异的选择性抗菌的活性。Liu等[17]通过氮掺杂碳合成了铁-单原子结构（Fe-SAC），其是一种具有POD样活性的高金属负载量（4.3wt.%）的Fe-N5催化剂。这种结构有助于产生·OH，具有强大的杀菌效果。此外，通过近红外光照射增强了催化活性，提高了Fe-SAC的杀菌效果。结果表明，通过催化产生ROS，破坏细菌的细胞膜和DNA，可以根除MRSA感染，为MRSA感染伤口治疗提供一种创新的策略。
正是由于传统抗菌手段面临诸多困境，单原子纳米酶的研究与开发才显得尤为关键。如Liu等所研制的铁-单原子结构（Fe-SAC）便是极具代表性的成果。也充分彰显了单原子纳米酶在抗菌应用中的潜力，进一步推动着单原子纳米酶在更多领域的探索与发展。
4.单原子纳米酶的发展
近年来，随着单原子纳米酶技术的发展，单原子纳米酶在各个方面的应用逐渐进入人们的视野。单原子纳米酶是一种特殊的复合材料，具有酶的催化功能和金属的导电性能。具有催化效率高、稳定性好、经济性好、制备规模大等特点。尽管单原子纳米酶的优点显著，但单原子纳米酶的活性仍然不如天然酶，因此目前对如何研制高活性的单原子纳米酶的研究已成了重要课题。[18]而且在自然界中，酶促反应发生在功能良好的催化口袋中，其中底物通过在三维（3D）空间中正确排列催化位点和氨基酸来结合和反应。[19]目前SAzymes中的催化中心是二维（2D）结构，缺乏协同底物结合特征限制了它们的催化活性。[20]而Li等人报告了一种通过将氧化硫官能团集成到碳平面上将传统的2D Fe-N-4中心转化为3D结构的维度工程策略。他们的结果表明，氧化硫官能团可以作为辅助底物取向和促进H2O解吸的结合位点，具有高达119.77Umg的出色比活性–1，是常规FeN4C酶的6.8倍。[21]该研究为高活性单原子纳米酶的合理设计铺平了道路。模拟天然酶的结构和催化机制可以为高效人工酶的开发开辟新的途径。[19,22-25]在自然界中，高效的酶促反应依赖于催化单元和结合位点在三维（3D）口袋中的适当排列。[26]例如，在自然界中发现的辣根过氧化物酶（HRP）在由血红素和几种氨基酸组成的组织良好的3D口袋中快速转换底物分子。[27]血红素作为催化位点，而氨基酸对酶的协同催化、结构维持和稳定性至关重要。特别是，远端His42和Arg38在H2O2结合和O-O键的异质裂解中起关键作用。[28]实现高效酶模拟的优选方法是设计一个优化的催化位点并整合结合位点以形成3D催化空间。
图 1 天然HRP（PDB 1h 5d）的结构及其血红素口袋的示意性结构。
这些研究结果表明，具有3D结构的单原子纳米酶能增加过氧化氢的催化活性，随着其应用在抗菌的不断深入，三维结构的单原子纳米酶必将作为一种新型抗菌剂广泛应用于人类生产生活中。
参考文献
[1] Dai X, Liu H, Du W, et al. Biocompatible carbon nitride quantum dots nanozymes with high nitrogen vacancies enhance peroxidase-like activity for broad-spectrum antibacterial[J].Nano Res,2023,16(5):7237-7247.
[2] 段晶晶，朱慧丽，李肖红，等.一起学校水污染引起的其他感染性腹泻暴发疫情调查[J].现代疾病预防控制，2024,35(10):764-767.
[3] SILVA-SANTANA G,AGUIAR-ALVES F,LENZI-ALMEIDA K C,et al.Perfil patologico de infeccoes sistemicas por cepas de Staphylococcus aureus strains in a murine model[J].Journal of Applied Microbiology,2020,128(6):1 820-1 842.
[4] GONZALEZ C D,LEDO C,CELA E,et al.The good side of inflammation:Staphylococcus aureus proteins SpA and Sbi contribute to proper abscess formation and wound healing during skin and soft tissue infections[J].Biochimica et Biophysica Acta-Molecular Basis of Disease,2019,1 865(10):2 657-2 670.
[5] VALDERRAMA-BELTRAN S,GUALTERO S,ALVAREZ-MORENO C,et al.Risk factors associated with methicillin-resistant Staphylococcus aureus skin and soft tissue infections in hospitalized patients in Colombia[J].International Journal of Infectious Diseases,2019,87:60-66.
[6] ALBRECHT V S,LIMBAGO B M,MORAN G J,et al.Staphylococcus aureus colonization and strain type at various body sites among patients with a closed abscess and uninfected controls at us emergency departments[J].Journal of Clinical Microbiology,2015,53(11):3 478-3 484.
[7] DASA S,LINDEMANN C,YOUNG B C,et al.Natural mutations in a Staphylococcus aureus virulence regulator attenuate cytotoxicity but permit bacteremia and abscess formation[J].Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America,2016,113(22):3 101-3 110.
[8] WANNER S,SCHADE J,KEINHOERSTER D,et al.Wall teichoic acids mediate increased virulence in Staphylococcus aureus[J/OL].Nature Microbiology,2017.DOI:10.1038/nmicrobiol.2016.257.
[9] GUMBO A,BANGURE D,GOMBE N T,et al.Staphylococcus aureus food poisoning among bulawayo city council employees,zimbabwe,2014[J/OL].BMC Research Notes,2015.DOI:10.1186/S13104-015-1490-4.
[10]LIMA G C,LOIKO M R,CASARIN L S,et al.Assessing the epidemiological data of Staphylococcus aureus food poisoning occurred in the State of Rio Grande do Sul,Southern Brazil[J].Brazilian Journal of Microbiology,2013,44(3):759-763.
[11]纪俊玲,鲁晓梅. 传统抗菌剂和新型抗菌剂的比较[C]//浙江省纺织印染助剂情报网第十四届年会论文集. 2004:208-211.
[12]Xia Jin-Lan, Wang Chun, Liu Xin-Xing. 抗菌剂及其抗菌机理[J]. 中南大学学报(自然科学版), 2004, 35(01): 31-38.
[13]C. GRANDCLEMENT, M. TANNIERES, S. MORERA, et al. Quorum Quenching: Role inNature and Applied Developments. FEMS Microbiology Reviews, 2016, 40(1): 86-116
[14]Dai X, Liu H, Du W, et al. Biocompatible carbon nitride quantum dots nanozymes with high nitrogen vacancies enhance peroxidase-like activity for broad-spectrum antibacterial[J].Nano Res,2023,16(5):7237-7247.
[15]Hu W C, Younis M R, Zhou Y, et al. In situ fabrication of ultrasmall gold nanoparticles/2D MOFs hybrid as nanozyme for antibacterial therapy[J]. Small, 2020, 16(23): 2000553.
[16]Ali SR,De M. Superparamagnetic nickel nanocluster-embedded MoS2 nanosheets for Gram-selective bacterial adhesion and antibacterial activity[J]. ACS Biomater Sci Eng, 2022, 8(7):2932-2942.
[17]Liu Q,Liu X,He X,et al. Iron-single-atom nanozyme with NIR enhanced catalytic activities for facilitating MRSA-infected wound therapy[J]. Adv Sci(Weinh),2024,11(15):e2308684.
[18]Wang F, Wang Y, Wang H, et al. Advances in the application of single-atom nanozymes for heavy metal ion detection, tumor therapy and antimicrobial therapy[J]. Microchemical Journal, 2023, 191: 108817.
[19]Wu W, Huang L, Zhu X, et al. Reversible inhibition of the oxidase-like activity of Fe single-atom nanozymes for drug detection[J]. Chemical Science, 2022, 13(16): 4566-4572.
[20]Wang Y, Jia G, Cui X, et al. Coordination number regulation of molybdenum single-atom nanozyme peroxidase-like specificity[J]. Chem, 2021, 7(2): 436-449.
[21]Li G, Liu H, Hu T, et al. Dimensionality engineering of single-atom nanozyme for efficient peroxidase-mimicking[J]. Journal of the American Chemical Society, 2023, 145(30): 16835-16842.
[22]Wang Z G, Wang H, Liu Q, et al. Designed self-assembly of peptides with G-quadruplex/hemin DNAzyme into nanofibrils possessing enzyme-mimicking active sites and catalytic functions[J]. ACS Catalysis, 2018, 8(8): 7016-7024.
[23]Wu W, Huang L, Wang E, et al. Atomic engineering of single-atom nanozymes for enzyme-like catalysis[J]. Chemical science, 2020, 11(36): 9741-9756.
[24]Xie L, Zhang X P, Zhao B, et al. Enzyme‐inspired iron porphyrins for improved electrocatalytic oxygen reduction and evolution reactions[J]. Angewandte Chemie, 2021, 133(14): 7654-7659.
[25]Wei X, Song S, Song W, et al. Tuning iron spin states in single-atom nanozymes enables efficient peroxidase mimicking[J]. Chemical Science, 2022, 13(45): 13574-13581.
[26]Xu B, Li S, Zheng L, et al. A bioinspired five‐coordinated single‐atom iron nanozyme for tumor catalytic therapy[J]. Advanced Materials, 2022, 34(15): 2107088.
[27]Xu B, Wang H, Wang W, et al. A single‐atom nanozyme for wound disinfection applications[J]. Angewandte Chemie, 2019, 131(15): 4965-4970.
[28]Yang G, Zhu J, Yuan P, et al. Regulating Fe-spin state by atomically dispersed Mn-N in Fe-NC catalysts with high oxygen reduction activity[J]. Nature communications, 2021, 12(1): 1734.
