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中国农业大学许文涛课题组ACS Catal.赏析：功能核酸酶——基于核酸的催化工厂

研之成理 · 公众号 · 科研 · 2024-11-07 14:20

正文

▲第一作者：中国农业大学营养与健康系博士生杨敏

通讯作者：中国农业大学许文涛教授

通讯单位：中国农业大学营养与健康系

论文DOI：10.1021/acscatal.4c02670 （点击文末「阅读原文」，直达链接）

全文速览

文章首次提出了功能核酸酶（FNAzymes）的概念，FNAzymes 是具有特殊结构以及催化功能的核酸或核酸复合物。然后，根据组成FNAzymes的成分将其分为四类：核酶（ribozyme）、脱氧核酶（DNAzyme）、修饰的FNAzyme和功能核酸纳米酶（FNA nanozyme）。此外，还介绍了各FNAzymes的催化功能、结构和催化机理。综述了FNAzymes在生物传感、生物成像、生物治疗等方面的应用。最后，对功能核酸酶的发展趋势和应用前景进行了展望。

背景介绍

生物催化在各类生物体的运作机制中扮演着无可替代的角色，这一过程传统上被认为主要由蛋白质酶所驱动。然而，自剪接内含子剪接RNA核酶的突破性发现颠覆了这一认知，揭示了核酸同样具备催化能力，且其效率可与蛋白酶相媲美。自此以后，各类具有不同催化功能的核酸被相继发现，并投入了大量精力进行核酸催化剂的应用研究。

研究亮点

（1）提出了功能性核酸酶（FNAzymes）的概念

（2）全面介绍了FNAzymes的四种类型。

（3）系统地综述了核酶和dnazyme的结构和催化机理。

（4）探讨了FNAzymes的酶活调节规律。

（5）综述了FNAzymes的生物学应用。

图文解析

Graphic abstract

图1 FNAzymes 的关键发现过程

图2 FNAzymes的分类与应用

总结与展望

FNAzymes 作为一种新的概念和范式，已经引起了来自化学、生物学、物理学、医学等广泛领域的关注。本文综述了 FNAzymes 的分类、催化机制、活性调控以及近年来在生物学中的应用研究进展。尽管 FNAzymes 取得了巨大成就，但其进一步发展仍然存在一些限制。在这里，我们提出了该领域的几个挑战和研究方向：

(1)催化性能的优化：探索如何进一步提升FNAzymes的催化效率与选择性，以满足更广泛的应用需求。

(2)新型 FNAzymes 的发掘：通过创新方法不断发现具有独特催化功能的新型FNAzymes，拓宽其应用范围。

(3)催化机理的深入剖析：加强对FNAzymes催化过程的分子机制与动力学研究，为精准设计与调控提供理论基础。

(4)FNAzymes 的理性设计：基于结构与功能关系，发展高效、精准的FNAzymes设计方法，实现催化性能的定制化优化。

(5)FNAzymes 的工业化应用探索：推动FNAzymes从实验室研究向工业生产领域的转化，建立相关的大规模生产和质量控制体系，实现在生物医药、环境监测、合成生物学等领域的实际应用。

论文通讯作者为中国农业大学营养与健康系教授许文涛，第一作者为中国农业大学营养与健康系博士杨敏。该研究得到北京市科技规划项目、生物育种-重大项目、国家自然科学基金、2115 中国农业大学人才培养计划、以及 BAST 的青年精英科学家赞助计划的资助。

作者介绍

许文涛，教授，长期从事功能核酸、功能食品及生物安全评价方面的研究。入选“农业农村部专项人才计划青年英才”、“教育部新世纪人才”、“北京市科技新星”，中国农业大学“人才培育发展支持计划”青年新星A类及“功能核酸”青年科学家创新团队；北京理化分析测试技术学会核酸适配体交叉技术分会秘书长、北京市食品学会现代营养健康检测专业委员会主任委员，农业农村部农业转基因生物安全评价（食用）重点实验室副主任、农业农村部农产品贮藏保鲜质量安全风险评估实验室（北京）副主任、国家市场监督管理总局特医食品注册审评核查专家、保健食品现场核查专家、婴幼儿配方乳品配方注册咨询专家，第六届农业转基因安全委员会委员、北京市现代农业产业技术体系岗位科学家。连续入选爱思唯尔“全球前2%顶尖科学家，担任Journal of DNA and RNA research期刊主编，Food Biomacromolecules期刊副主编，Toxins、Frontiers in Bioengineering and Biotechnology、Exploration、Mini-Reviews in Organic Chemistry、《生物物理及生物化学进展》、《生物技术通报》等期刊编委。主持国家自然基金面上项目、重大仪器专项等项目20余项。出版《Functional Nucleic Acids Detection in Food Safety》，《功能核酸》，《功能核酸生物传感器-理论篇》及“大国三农”十三五规划教材《食品安全快检技术》等中英文专著/教材10余部。发表学术论文350余篇，H指数为52，以第一完成人获国家授权发明专利95项，国际发明专利2项，转化20余项。获湖北省科学技术发明二等奖等科研奖励15项。近年来，加大科技成果转化进度，积极投身乡村振兴实践，促进农村产业融合发展，在全国多地牵头设立教授工作站3个、科技小院3个、博士农场2个。

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