来源：DeepTech深科技
“这项工作首次阐明了天然纳米酶的存在、催化机制和生理功能，不仅揭示了生物矿物的新功能，亦赋予了纳米酶全新的意义。”中国科学院生物物理研究所范克龙研究员表示。
在近期一项研究中，他和团队首次通过生物合成的方法，原位合成了天然铁蛋白纳米酶。
不过这项研究主要聚焦于天然纳米酶的催化机制和生理功能，并未涉及应用。但他们相信这项工作能从生物合成纳米酶、以及生命体中无机纳米材料的生理或病理学两方面，带来一定的潜在应用价值。
从合成角度而言，依据纳米酶种类和活性的多样性、以及成熟的合成生物学技术，相信通过构建纳米酶合成或纳米酶-药物协同合成的底盘细胞，可以实现新型纳米酶的高效合成与应用。
同时，这种生物合成纳米酶具有更好的安全性，有望用于肿瘤治疗、抗炎等不同体内应用场景中。
此外，无机纳米材料在生命体中广泛存在，且与疾病的发生与发展息息相关。例如，已有研究发现在人脑组织中存在丰富的磁铁矿纳米颗粒，并与神经退行性疾病（包括阿尔兹海默症等）相关。
基于此，探究脑内磁铁矿纳米颗粒是否具有类酶活性，以及能否利用其类酶活性开发相关的靶向药物，是他们未来的研究方向。
（来源：Nature Communications, 2024, 15, 233）
“酶学历史上的里程碑事件”
据介绍，在将近 17 年的时间里，范克龙课题组所在的阎锡蕴院士团队一直从事纳米酶的系统性研究。
2007 年，该团队在一次实验中偶然发现，磁性氧化铁颗粒能够产生和天然辣根过氧化物酶相似的显色反应，并且具有和天然酶相似的催化条件和催化动力学。
他们将这类具有类酶催化活性的无机纳米材料命名为纳米酶，自此开启了纳米酶研究领域。
至今已有金属单质、金属氧化物、金属硫化物、碳基纳米材料、金属有机框架等 1500 余种不同种类的纳米材料被发现具有类酶活性。
而且，酶活种类涉及氧化还原酶、水解酶、裂合酶和异构酶四大类天然酶中的 40 余种催化类型。纳米酶的发现揭示了无机纳米材料的全新特性，也得到了国内外专家的广泛认可。
2007 年，阎院士团队关于纳米酶研究的论文发表于 Nature Nanotechnology，并被 Chemical Society Reviews 综述文章评价为是酶学历史上的里程碑事件。
2012 年，该团队受邀在 Springer 杂志撰写了名为《Nanozymology》的英文专著，标志着纳米酶领域的发展和成熟。
作为一种新型模拟酶，纳米酶相较于天然酶呈现出稳定性高、易于大规模生产、活性可调节等诸多优势，使得它们在疾病诊疗、环境治理和绿色合成等多种领域能被广泛应用。
近几年，通过对纳米酶构-效关系的深入解析，范克龙课题组已开发出多种催化活性超越天然酶的纳米酶。
在此前积累的纳米酶研究工作中，他们已经系统性地阐明了体外合成纳米酶的类酶活性及其广泛的应用前景，而“生物体内是否存在具有生理学功能的天然纳米酶”的问题依旧悬而未决。
无机生物矿物存在于几乎所有的生命体中，涵盖骨骼、牙齿、贝壳、耳石等多种形式，并由细胞代谢介导无机矿物盐在胞内、或在胞外沉积形成。
然而，传统的生物矿物主要发挥支撑保护以及光、重力、磁场感应等物理功能。纳米酶的发现也引导着该团队思考这样一个问题：生命体内的无机纳米矿物，是否也具有类酶催化活性？
而针对这一问题的研究，不仅能阐明生命矿物的全新功能，也能证明已被广泛认知为天然酶模拟物的纳米酶，在生命体中也可以作为天然酶而存在。
在这一想法的指引之下，他们迅速开展研究工作。由于这篇论文的选题较为新颖，涉及的实验方法种类繁多，前期又缺乏类似文献的参考，因此课题方向的探索，是他们负重前行的第一步。
（来源：Nature Communications, 2024, 15, 233）
近期领域内 50 篇最佳论文之一
首先，在明确要研究天然纳米酶后，他们总结了生命体中的各类生物矿物，并最终选取了在几乎所有物种中都存在的铁蛋白作为研究对象。
随后，考虑到不同物种来源的铁蛋白在蛋白结构和内核组成上存在较大差异，他们紧接着对铁蛋白的物种分布进行调研。
并以调研结果为依据，选取古菌、细菌和真核生物来源的代表性铁蛋白进行研究。
明确研究对象之后，为了探索天然铁蛋白内核的类酶活性，他们通过毒性实验和蛋白纯化、表征等实验，确定了适合本次体系的生物合成方法。
最后，课题组检测了这些铁蛋白的类酶活性，发现了铁蛋白内核的类超氧歧化酶活性与物种进化程度存在显著关联这一有趣现象，借此初步明确了课题方向。
那么，如何洞悉上述现象背后的微观本质？由于他们在实验中发现类酶活性来源于铁核，因此将课题重心聚焦在探究铁核的尺寸、铁原子价态分布及形貌等因素，是否会影响其催化活性。
然而，由于铁蛋白内核的尺寸小，并且成核过程是由蛋白壳上的多个成核位点介导，所以他们并未从这些因素中检测到明显差异。
在课题因此陷入困境的时候，通过检索铁蛋白内核的文献，他们发现不同来源铁蛋白可能存在组成上的差异。
于是，他们迅速开展了铁蛋白内核的体外合成和组成成分分析，明确了磷酸盐在类酶活性上的关键作用。
而为了探究“相同方法合成的不同物种的铁蛋白内核，为何具有不同的磷酸盐含量和类酶活性”，他们分析了 40 余种不同铁蛋白的结构并进行了点突变分析，借此发现铁蛋白三重对称轴，可能参与了内核组成和活性调控。
纳米水铁矿，是铁蛋白内核的主要成分。随后，课题组结合纳米水铁矿的合成、表征、吸附实验、原子配位环境解析和理论计算分析等多种方法，确定磷酸盐能够和内核中的铁原子形成类磷酸铁配位，从而促进类超氧歧化酶活性的发挥。
至此，他们已经阐明了铁蛋白内核的类超氧歧化酶活性差异的来源和机制。然而，由于铁蛋白具有储铁的天然功能，因此很有必要进一步探寻这种类酶活性和常规的铁离子氧化还原现象的差异。
于是，他们比较了铁蛋白内核催化和铁离子介导反应的异同。通过产物分析和酶活稳定性测试，确定铁蛋白内核的类超氧歧化酶活性是一种独特的纳米效应，并非由铁离子的氧化还原所介导而来，借此证明了铁蛋白内核的全新功能。
最后，为了验证铁蛋白纳米酶是否具有生理学功能，课题组相继开展了过表达和基因敲除实验，证明其具有抗氧化的生理作用。
（来源：Nature Communications, 2024, 15, 233）此外，该论文还被评选为 Nature Communications“材料科学与化学”领域的亮点论文，并被精选为近期领域内 50 篇最具突破性和影响力的论文之一。
连续两年获得科睿唯安全球高被引科学家称号
如前所述，该团队初步研究了天然纳米酶的催化机制及其在原核生物的生理功能。然而，尚未揭示为何真核生物铁蛋白需要这种类酶活性。因此，他们计划研究真核生物中天然纳米酶的生理和病理意义。
此外，本次的研究对象仅限于类超氧歧化酶活性。而铁蛋白内核还具有类过氧化物酶和类过氧化氢酶活性，这些活性的催化机制和功能仍有待探索。
同时，他们还将深入探索其它种类的天然纳米材料的类酶活性，并在此基础上建立全新的纳米酶生物合成体系。
另据悉，范克龙研究员获得了科睿唯安"全球高被引科学家"的称号，这主要是基于他和团队在纳米酶领域的一系列原创性工作。
一方面，他们率先研究纳米酶的“构-效关系”，揭示了数种代表性纳米酶的催化机制，并基于此提出仿生设计纳米酶的新理念。
另一方面，他们通过开展抗氧化纳米酶的理性设计工作，引领了纳米酶领域从体外研究向体内功能探索。
凭借此，课题组先后有将近 30 篇论文入选 ESI 高被引论文，范克龙研究员也因此连续获得 2022 年度和 2023 年度的科睿唯安“全球高被引科学家”称号。
此前，该团队围绕“抗氧化纳米酶的构效关系及生物医学应用”，也已经取得了一系列进展，比如：
其一，解析碳点 SOD 纳米酶的构效关系，实现了超越天然 SOD 酶的纳米酶设计[2]；
其二，揭示手性结构影响抗氧化纳米酶在体内转运和穿越血脑屏障的分子机制，解析了手性结构抗氧化纳米酶在帕金森治疗中的作用机理[3]；
其三，发现天然抗氧化纳米酶，解析其催化机制、并证明其抗氧化生理学活性[1]；
其四，设计凝血酶响应型的多肽抗氧化纳米酶，整合多肽靶向溶栓和纳米酶级联抗氧化活性，实现了缺血性脑卒中的有效治疗[4]。
范克龙研究员表示：“现因工作需要，需招聘材料学或化学等相关专业的特别研究助理（博士后）2-3 名，有意者请将个人简历、两封推荐信、已发表论文、以及其他能证明本人能力水平的文件发至：fankelong@ibp.ac.cn。”
参考资料：1.Ma, L., Zheng, JJ., Zhou, N.et al. A natural biogenic nanozyme for scavenging superoxide radicals. Nat. Commun. 15, 233 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-023-44463-w
2. Gao, W., He, J., Chen, L. et al. Deciphering the catalytic mechanism of superoxide dismutase activity of carbon dot nanozyme. Nat. Commun. 14, 160 (2023). https://doi.org/10.1038/s41467-023-35828-2
3. Jiang, W., Li, Q., Zhang, R. et al. Chiral metal-organic frameworks incorporating nanozymes as neuroinflammation inhibitors for managing Parkinson’s disease. Nat. Commun. 14, 8137 (2023). https://doi.org/10.1038/s41467-023-43870-3
4. Z. Wang, Y. Zhao, Y. Hou, G. Tang, R. Zhang, Y. Yang, X. Yan, K. Fan, A Thrombin-Activated Peptide-Templated Nanozyme for Remedying Ischemic Stroke via Thrombolytic and Neuroprotective Actions. Adv. Mater. 2023, 2210144. https://doi.org/10.1002/adma.202210144
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