纳米酶的前沿探索-新闻中心-平台-全球领先人工智能嵌入式开发平台

【导语】纳米酶作为当下科研热词，其发现源于实验室偶然——某些纳米材料因特殊结构具酶活(huó)性(xìng)。近(jìn)期(qī)研究发现，生物体内天然存在纳米酶，它可能拓展了生物催化边界，在生命起源中或发挥关键作用，还可能是酶的前体。此外，纳米酶比天然(rán)酶(méi)更(gèng)稳定、成本更低，且能用AI结合材料基因组学设计，为理解生命起源提供新视角。

最近纳米酶也是一个非常热的科研的名词，大家也很感兴趣。针对这个问题我也想给大家做一点我的介绍和一些我的看法。

纳米酶的发现源于实验室的偶然。传统认知中，酶是蛋白质或核酸——生命反应的催化剂。而我们的研究发现，某些纳米材料因其特殊的纳米结构也具有酶活性，这类材料被统称为纳米酶。

许多研究者感兴趣纳米酶相较于天然酶的优势。作为纳米材料，它通常更稳定、成本更低。在此分享我们最近的进展。目前，纳米酶研究多集中于实验室合成的仿酶材料。但我们最近发现，生物体内本身就存在天然纳米酶——这(zhè)使(shǐ)我(wǒ)们(men)对纳米酶的认知更进一步：它是天然存在于生命体中的一类催化剂。

若将视野拓宽至整个生命进(jìn)化(huà)与(yǔ)起源的尺度，纳米酶不仅是一类仿酶催(cuī)化(huà)剂，更可能是一种拓展了生物催化边界的新型催化剂。因为酶本身就是经过亿万年进化形成的，而我们最新的研究发现，在酶出现之前，一些具有特殊纳米结构的纳米矿(kuàng)物(wù)或(huò)无机矿物，可能就具备了初步的生物催化活性。这些活性在酶诞生之前就已(yǐ)存(cún)在(zài)，可能协助驱动了生命起(qǐ)源(yuán)和(hé)早期进化过程中的一些关键反应。

试举一例：约25亿年前的“大(dà)氧化事件”中，随着光合细菌和蓝藻的(de)出现，大气氧气含量剧增。氧气剧增促进了有氧呼吸和代谢进化，但(dàn)其副产物——自由基——也导致当时约99%的生命消亡。那么，为何仍有1%的生命存活下来？

我们推测，纳米酶可能在此过程中发挥了关键作用。最新研究发现，某些纳米矿物能在单细胞生命体内发(fā)挥(huī)抗(kàng)氧(yǎng)化活性。因此可以认为，这是在酶出现之前，纳米酶在生命体中行使(shǐ)功(gōng)能(néng)的(de)例(lì)证(zhèng)。

随(suí)着(zhe)生(shēng)命(mìng)进(jìn)化(huà)，酶对金属的利用率不断提高，纳米酶体系也逐(zhú)步(bù)完(wán)善。据此我们认为，纳米酶实际上可能是酶的前体。我们最近的工作提出，纳米酶作为一种新型的生物催化剂，拓展了生物催化的边界。这不仅有助于阐释纳米酶在生命体中的存在意义，也为理解生命起源提供了新的视角。

关于第二个问题——纳(nà)米(mǐ)酶(méi)相比天然酶的优势及其设计(jì)，我(wǒ)也(yě)简要回应如下：

首先，“纳米酶是无机版的(de)酶(méi)”这(zhè)一(yī)观点在一定程度上是正确的，这(zhè)也(yě)呼(hū)应(yīng)了(le)我(wǒ)们(men)关于(yú)纳(nà)米(mǐ)酶(méi)作(zuò)为(wèi)酶(méi)前(qián)体(tǐ)的(de)发(fā)现(xiàn)。当(dāng)前(qián)应(yīng)用(yòng)恰(qià)恰(qià)利(lì)用(yòng)了(le)其(qí)优(yōu)势(shì)：比(bǐ)天(tiān)然(rán)酶(méi)更(gèng)稳(wěn)定(dìng)、成(chéng)本(běn)更(gèng)低(dī)。因(yīn)此(cǐ)，在(zài)极(jí)端(duān)条(tiáo)件(jiàn)（如(rú)低(dī)温(wēn)或(huò)苛(kē)刻(kè)温(wēn)度）下，纳米酶往往表现更优、成本效益更高。

其次，关于是否能用AI设计纳米酶。这部分工作我们已在开展。大家熟悉基因组学，而在材料领域则有“材料基因组学”。生物学基因组学通过改变基因序列构建库；材料基因组学则通过改变材料组分设计材料。我们可以结合AI技术和材料基因组学方法，构建纳米酶库，并依据目标催化活性设定筛选条件。通过大规模筛选，有望获得具有新催化活性的纳米酶。

本文为·创作培育计划扶持作品

作者：中国生物物理学会

审核：阮科中国科学技术大学教授

出品：中国科协科普部

监制：中国科学技术出版社有限公司、北京中科星河文化传媒有限公司

来源: 创作培育计划(huà)