造 物 有 话 说
本专栏文章以观者角度阐释视频内容，凝练核心知识，以期帮助合成生物学爱好者更好地理解合成生物学前沿热点。
推介内容
造 物 引 言
4 月 27~28 日，第四届工程生物创新大会暨第二届中国合成生物学学术年会暨首届亚洲合成生物创新大会在深圳光明科学城成功举办，本次大会以“合成生物：未来生物经济的引擎”为题。
视频网址：
http://www.isynbio-talk.cn/#/video/video-info/392
以下为高利增完整版演讲内容，经少量编辑、修改后发出。
尊敬的各位领导、各位专家，下午好。
我是来自中国科学院生物物理研究所的高利增，我今天给大家汇报的是我们团队的工作《纳米酶：新一代生物催化剂》。
我们团队属于中国科学院纳米酶工程实验室，主要有三位PI，同时我们在很多高校也有很多联合实验室，尤其是在深圳先进院合成所，我们去年刚成立了一个纳米酶合成中心，我们也希望我们的纳米酶跟合成生物学能够交叉起来，深入地做一些新的东西。
下面我汇报的工作，是基于我们整个团队近年来做的一些工作，主要包括三个方面。因为大家主要都是做合成生物学的，可能对纳米酶的了解不太多，给大家介绍一下，后面会结合纳米酶的特性及应用，给大家进行汇报。
从昨天开始，听了很多报告，我不是做合成生物学的，据我个人理解，合成生物学虽然底层是从基因层面去改造，但是真正在合成物质的时候，可能还是通过产生了很多酶，形成代谢通路来进行合成的，以及很多报告提到的对于天然酶进行改造，或者进行人工酶，提升它的性能。
我们这个纳米酶，其实也是在人工酶的大背景下，因为天然酶存在一些不稳定、成本高等缺点，通过定向进化技术，可能是从生物层面来改造。其实化学方面也有策略，就是通过人工模拟的途径，昨天也有报道，传统小分子的人工模拟酶在催化活性上可以模拟出来，但实际情况会受限，因为分子比较小，模拟的程度也有限。我们的纳米酶，就是基于化学的背景，我们认为它属于化学类的人工模拟酶，但不同的地方在于，它是基于纳米结构和纳米材料。
我们简单地给它一个概念，它是具有类酶催化活性的纳米生化材料，典型的特征是它有类似于催化反应，条件比较温和，它的活性来自于纳米结构本身，我们不需要在上面固定其他的酶或催化剂，这个纳米材料本身就具备这样的催化活性。跟天然酶相比，它相对比较稳定，它是相对交叉的一个领域，结合了纳米材料、纳米技术的化学催化机制以及生物医学的应用。
纳米酶的出现，大家通常认为它改变了对无机纳米材料的认识，认为它有生物惰性，但现在来看，它有一些生物学活性。它作为一个模拟酶，比传统的小分子模拟酶会更加实用，也可以更好地模拟天然酶催化活性。我们近年来发现，不仅仅是人工酶合成的这些纳米酶有活性，我们在生物体内也会发现天然的纳米酶，在我们的生物体内也会发挥作用。
它典型的特点、动力学曲线，都跟天然的是相似的，不一样的是，它可以调控纳米结构和尺寸，你可以调控它的尺寸，让它变高、变低或者变没有。因为它是纳米颗粒，可以回收使用。
从我们最早发现金属氧化物，后来拓展到金属类，甚至到现在金属有机杂化，以及多肽蛋白聚集体，大概有一千多种。它基本的特征是靠纳米结构组装形成，不像我们的天然酶，靠折叠形成，产生的活性机制不一样。
能够模拟的天然酶类型，现在拓展到了4类，我们的天然酶有6类，现在我们能够模拟的相对有限，因为绝大多数是氧化还原酶类，后面我要介绍的应用也集中在氧化还原酶类。
2007年我们是最早发现纳米酶的，但过了十几年的静默期，近几年进入了高速发展阶段，每年都会超过1000多篇文章发表。比较有优势和特色的地方，这个概念是我们中国科学家提出的，在这个领域，我们处于原创和引领的地位。
纳米酶目前被认为是一类新的功能材料，它既有纳米材料的理化特性和光电磁特性，还有独特的类酶催化活性。比较巧合的是，这些理化特性有可能会调控我们的催化活性，使得它跟传统的小分子模拟酶区别开来，它有比较好的稳定性、耐高温、低温、耐酸碱、活性可调，导致它目前受到了广泛关注。
在去年中科院发布的2022研究前沿发布暨研讨会、IUPAC十大关键技术等，都列入了纳米酶，因为它近几年发展非常迅速，作为新材料受到了很多关注。
我们解析了纳米酶催化机制，提升纳米酶活性。它具有明显的酶催化特性，包括底部结合、结构转变、产物释放。
这个是过氧化物纳米酶的构效关系及仿生设计，我们模拟谷氨酸配位特征，逐步提高纳米酶的特性。从我们2007年发现纳米酶只有几U/mg，现在到了2800U/mg，可以实现对天然酶的超越。包括SOD酶，也有相似的模拟机制和配位，我们现在可以把它的活性提升到超过10000U/mg。
我们还可以实现工艺放大生产，我们实验室小试了，一次可以做到6克，可以满足600万人份检测试剂，目前可以实现公吨级的生产。以我们开发的纳米酶试纸条检测为例，相比传统的胶体金试纸条，它的灵敏度可以提高10-100倍，可以用于多种病毒和抗原的检测上，目前我们也申请了一些临床批件。
这是提升纳米酶催化高活性的应用。另外，我们在研究纳米酶的时候也发现，不仅可以适用高温催化，在低温下也可以催化，包括零下80度，也有催化过程，这是天然酶没法实现的，在实际应用中有一定的价值。我们也在低温做了杀病毒，这方面是它的特色。
另外，一个纳米颗粒上，可以有多种灵活性，我们发现有5种酶，包括过氧化物酶，它跟生物体内的过氧化物酶很相似，其中有一些串联反应，比如形成尿酸，避免副产物的产生，清除超氧自由基可以让多酶级联反应实现复杂的功能。
比如SOD酶、过氧化物酶，也可以用来清除，我们也可以把CRISPR质粒整合到纳米酶，作为递送载体，用来做一些代谢通路的编辑，这体现了纳米酶多功能的特色。
我们还可以通过纳米酶编辑氧化还原代谢，进行肿瘤治疗，也可以利用乳酸作为代谢来源。我们发现，把纳米酶跟葡萄糖氧化酶或乳酸氧化酶结合起来，可以把葡萄糖或乳酸变成有毒的东西，通过代谢编辑，使它变成有害的东西，就可以杀死肿瘤。
如果纳米酶自身有氧化活性，也不需要葡萄糖氧化酶，可以跟过氧化物酶联合起来，从而快速杀死肿瘤。这是二硫化亚铁纳米酶介导的肿瘤催化治疗。
刚刚讲的是对肿瘤的催化治疗，我们发现，纳米酶通过编辑氧化还原代谢还可以杀菌。为什么我们用纳米酶来做？我们看到，免疫细胞杀死细菌的时候，其实就是把细菌吞噬到溶酶体内，从而杀死细菌。它正好有各种氧化还原酶，我们近几年做了很多，发现可以调整氧化还原酶杀死细菌，大概几分钟之内就可以杀掉99%以上，比抗生素要高很多倍。
我们做了硫化铁纳米酶，发现它对于引发细菌性阴道炎的细菌有杀伤作用。左边是经典的氧化还原代谢调控。从右边可以看到，己糖激酶跟它反应，可以造成活性中心改变，使糖酵解通路发生中断，协同杀伤加德纳菌，效果好于临床的甲硝锉，效果可以达到99%以上。
我们发现，纳米酶不仅可以用在生物医学领域，还可以用在环境治理领域，比如低温催化，可以降解一些污水中的有机污染物。再比如我们模拟氢化酶做的纳米酶，可以直接将水催化产生氢气，在环境治理以及新能源方面也有一定的应用前景。
最后总结展望一下，目前纳米酶主要做氧化还原类，我们希望将来可以设计或模拟更多的酶活性，可以编辑调控更多的代谢通路，我们想提供一种非细胞的非生物体系，可以直接实现一些产物的合成和生物医学的应用。近两年来，张先恩老师提出了“纳米合成生物学”，我们的纳米酶正好适合纳米合成生物学交叉领域，通过纳米酶，对合成生物学提供一些新的内涵或新的技术。
这是我们整个团队。
谢谢大家。
整理/朝阳
审核/莫十二
编辑/荧梬