阎锡蕴院士最新AM展望：纳米酶及其在生命起源中的潜在作用

BioMed科技 · 公众号 · · 2024-12-29 20:03

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生命的起源长期以来一直是一个核心的科学挑战，为此已经提出了各种各样的假设。化学进化论认为无机分子可以转化为有机分子和随后的原始细胞，为现代理论奠定了基础。无机矿物被认为在这一过程中起着至关重要的催化作用。然而，无机矿物的恶劣反应条件阻碍了有机分子的积累，阻碍了无机分子向生物大分子的有效过渡。

鉴于其固有的物理化学性质和类酶活性， 中科院生物物理研究所阎锡蕴院士和范克龙研究员 等人提出具有类酶活性的纳米酶在生命起源中可充当有效的益生元催化剂。这一假设基于以下内容：首先，与传统矿物不同，纳米矿物可以在较温和的条件下催化有机合成。其次，纳米矿物不仅可以保护生物分子免受辐射损伤，还可以催化聚合反应形成功能性的生物大分子和进一步的脂质囊泡。更重要的是，纳米矿物在地球和外星环境中含量丰富。因此，这一展望性综述将基于矿物质的功能和纳米酶的特征，系统地讨论纳米酶在生命出现中的潜在作用，并希望对纳米酶和生命起源的研究能够弥合原始环境下无机前体和生物分子之间的差距。相关展望以“Nanozymes and Their Potential Roles in the Origin of Life”为题发表在 Advanced Materials 。

【文章要点】

通过阐明结构-活性关系，研究人员不仅鉴定了纳米酶的酶样结构，还成功地调节了它们的活性，以实现与天然酶相当的催化性能。更重要的是，与天然酶相比，纳米酶具有更高的稳定性、可调节的活性和更容易的生产和修饰等优点。纳米酶的发现突显了无机纳米材料催化生化反应的潜力，可作为现代酶的功能类似物。鉴于纳米酶和矿物质之间无机材料的相似性质，以及它们的特定纳米结构，作者提出，在生命起源中，纳米酶不仅可以作为现代酶的模拟物，还可以作为益生元催化剂。基于这一假设，本文探讨了纳米酶在生物发生过程中的潜在作用（图1）。

图1 矿物质在从无机分子到原始细胞的转变过程中起作用

具体来说，与块状矿物相比， Fe ₃ S ₄ 和Ni ₃ Fe纳米粒子等纳米矿物可以在较温和的条件下催化有机合成。随后，这些有机分子可以被不同种类的纳米矿物质吸收，这可以通过物理屏蔽、ROS减少活性或辐射修复能力来保护它们免受辐射。此外，广泛分布的纳米粘土矿物可以吸收和催化氨基酸和核苷酸的聚合，形成功能性的RNA或肽。此外，纳米蒙脱石不仅可以催化长链烷酸和醇的合成，还可以诱导脂肪酸形成原始细胞。这些现象表明了纳米酶在生命起源中的潜在作用（图2）。然而，与模仿现代蛋白酶不同，纳米酶在完全不同的反应类型、动力学、机制和条件下对生命的起源发挥催化作用。为了系统地阐明纳米酶的详细功能，未来需要探索许多工作：包括1. 探索原始地球和地外空间的纳米矿物；2. 建立标准的检测系统；3. 探索有机合成反应；4.考虑手性选择性；5.探索纳米酶的辐射保护作用；6. 探索生物大分子的合成；7. 探索地质元素的作用及不同纳米矿物的协同作用。

图2 纳米酶在生命起源中的潜在功能

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