纳米酶是一类蕴含酶学特性的纳米材料，被国际纯粹与应用化学联合会（IUPAC）宣布为2022年化学领域十大新兴技术。纳米酶的催化类型和活性可以通过一系列方法进行精确调节，例如尺寸工程、价态工程、表面修饰、晶体表面工程和缺陷工程。现阶段，高性能的纳米酶主要是在上述方法的基础上，通过研究人员的长期经验和深入理解，试错获得的。然而，这些方法耗时费力，需要大量的试验和分析，严重影响了纳米酶的开发效率。更重要的是，因为纳米酶的机理还没有完全阐明，很难提供准确的理性指导，导致这些方法设计的纳米酶在实验前不能有效预测其性能。
近日，材料学院朱之灵副教授发表关于纳米酶理性设计的综述论文，该成果以“Rational Design Strategies for Nanozymes”为题发表在纳米材料领域国际著名期刊ACS Nano（中科院一区TOP期刊，影响因子17.1）上。该成果第一单位为永利3044浏览器，第一作者为材料学院研究生陈震，通讯作者为朱之灵副教授。
该论文从纳米酶理性设计出发，系统综述了本领域的研究进展：
（1）纳米酶发展的四个阶段。第一阶段始于阎锡蕴院士团队在偶然中发现Fe3O4NPs表现出惊人的类似天然过氧化物酶的催化活性。第二阶段是利用米氏方程，科研工作者们通过试错实验设计了具有类酶催化活性的纳米酶。第三阶段，随着纳米酶研究的深入，科研工作者们对纳米酶的催化机制进行了深入的探索，进行了系统的分类，将纳米酶催化的实验观察与计算机模拟紧密结合，用计算机模拟来解释实验难以观察到的催化机制。在这个阶段，科研工作者们利用密度泛函理论（DFT）计算寻找纳米酶的活性描述符，作为纳米酶设计的指导。第四阶段则是利用机器学习等人工智能方法挖掘纳米酶的基本构-效关系，建立纳米酶数据库，并利用数据库预测未知的纳米酶活性材料。
（2）基于计算驱动的纳米酶设计方法。通过对基于计算驱动的纳米酶理性设计的阶段性总结，笔者对类过氧化物酶、类氧化物酶、类超氧化物歧化酶、类过氧化氢酶、类水解酶纳米酶的催化基元反应作了系统介绍。利用计算驱动，可以得到实验中难以测量的纳米酶基元反应信息，对催化反应热力学进行详细的分析，对每步基元反应的能垒、氧化还原电位等进行精确计算，从而降低纳米酶催化机理的研究难度。同时，基于计算驱动的纳米酶理性设计，还可以利用计算获得的基元反应相关数据以及其他催化反应常数，建立纳米酶活性描述符，并利用活性描述符对纳米酶催化活性在实验前进行预测，从而大幅减少目标活性纳米酶的开发周期和设计成本。计算驱动指导的纳米酶理性设计必将成为所需目标活性纳米酶强有力的设计方法。
（3）基于计算驱动的纳米酶设计方法。纳米酶设计包括了材料尺寸、元素组成、结构、形貌、表面修饰、催化类型、催化活性、选择性、纳米毒性等众多因素，涉及到大量的材料信息。随着纳米酶种类和数量的迅速增长，相关领域研究所产生的数据正在超越研究者的分析能力，这种趋势预示着纳米酶设计将由经验主导设计迈入数据驱动的理性指导设计。通过收集、整合纳米酶实验与计算模拟产生的数据，结合物理化学原理、数据库与机器学习技术，破译纳米酶设计研究中材料与性能之间隐藏的构-效关系，有望加速新型纳米酶的发现。
（4）小结。作为以实际应用为导向的交叉学科领域，纳米酶的研究始终围绕着材料设计和活性调控展开。与依赖基因表达生产的天然酶不同，纳米酶可以从头合成，具有可设计改造的特点。早期纳米酶研究多是通过随机合成和逐批验证的策略来筛选催化活性较高的纳米酶。然而，因缺乏明确的理论指导和高通量筛选手段，此策略往往费时费力且收效甚微。纳米酶种类繁多、组成结构多样，如何深入解析其复杂的构-效关系，对于实现有据可依的纳米酶理性设计具有重要意义。近年来，随着纳米酶研究体量的指数式增加，一些对纳米酶催化活性具有重要影响的要素被发掘出来，并被用于纳米酶的理性设计之中。此外，随着大数据分析、机器学习和理论计算等技术的进步，并与纳米酶研究不断的交叉融合，越来越多的研究者开始使用理性设计手段进行纳米酶催化活性的预测，为加速纳米酶的发现提供了新的契机。鉴于此，笔者结合当前纳米酶相关研究的发展趋势，对纳米酶理性设计领域进行以下七点展望。
总之，作为新一代模拟酶，纳米酶的研究呈现方兴未艾的发展趋势，高效设计纳米酶将对推进纳米酶的发展起到重要意义，相关领域研究将得到快速发展。
上述工作得到了国家自然科学基金和山东省自然科学基金支持。
文章链接：https://doi.org/10.1021/acsnano.3c04378
