贵金属和碳纳米酶分子机制的理论研究

2007年四氧化三铁类过氧化物酶活性的发现,催生了纳米酶这一新兴多学科交叉研究方向,多种基于金属、金属氧化物和碳纳米材料的纳米酶被发现,并在环境、食品安全、化工、生物医学等领域获得应用.相应的,纳米酶催化分子机制的理论研究也取得了进展.本文将回顾化学催化的基本原理,重点总结贵金属和碳纳米酶分子机制的理论研究进展.     

综述——新型纳米生物材料的研发：纳米酶的发现与应用

自2007年发现四氧化三铁纳米材料具有类似辣根过氧化物酶的催化特性以来,纳米酶研究领域迅速崛起．不同形貌、尺度和材料各异的纳米酶相继出现,同时其催化机制逐渐被认识．由于纳米酶具有催化效率高、稳定、经济和规模化制备的特点,它在医学、化工、食品、农业和环境等领域的应用研究便应运而生．纳米酶的发现,不仅推动了纳米科技的基础研究,还拓展了纳米材料的应用．本文将介绍纳米酶研究领域的最新研究进展．     

综述与专论: 纳米酶在肿瘤催化诊疗方面的应用

作为一个特殊的交叉学科前沿,纳米酶在近几年来引起了科学界的广泛关注。自2007年首次发现四氧化三铁纳米材料具有类似辣根过氧化物酶的催化特性以来,纳米酶的研究迅速兴起。其特殊的在纳米尺度的理化性质赋予它们优越的催化性能,以用于各方面的应用,例如癌症的诊断和治疗。本文重点介绍近年来催化化学的发展所促进的纳米医学在肿瘤诊疗方面的应用,以及纳米酶的研究现状和未来的展望。通过合理地将催化化学与临床纳米诊疗医学相结合,这些新型的纳米酶及其在肿瘤成像和治疗方面优越的催化性能,将会极大地促进纳米医学新子学科的产生。     

纳米酶在肿瘤催化诊疗方面的应用（英文）

作为一个特殊的交叉学科前沿,纳米酶在近几年来引起了科学界的广泛关注.自2007年首次发现四氧化三铁纳米材料具有类似辣根过氧化物酶的催化特性以来,纳米酶的研究迅速兴起.纳米酶在纳米尺度的特殊理化性质赋予它们优越的催化性能,以应用于各方面,例如癌症的诊断和治疗.本文重点介绍近年来催化化学的发展所促进的纳米医学在肿瘤诊疗方面的应用,以及纳米酶的研究现状和未来的展望.通过合理地将催化化学与临床纳米诊疗医学相结合,这些新型的纳米酶及其在肿瘤成像和治疗方面优越的催化性能,将会极大地促进纳米医学新子学科的产生.     

极端酶的研究进展

极端酶具有超常的生物学稳定性,能够在极端温度、pH、压力和离子强度下表现出生物学活性,因此极端酶为生物催化和生物转化提供了良机.新的极端物种的发现、基因组序列的确定及基因工程技术的应用,加快了发现和制备新酶的进程.蛋白质工程和定向进化技术进一步改善酶的活性和特异性,促进了极端酶的工业应用.对极端酶的研究加深了人们对酶稳定性机制的理解,丰富了分子进化理论.     

产甲烷古菌铁氢酶研究进展

根据活性中心金属原子的不同,氢酶主要分为镍铁、铁铁、铁氢酶三大类。铁氢酶是发现较晚、存在物种单一且结构较为特殊的一类氢酶。目前,铁氢酶仅发现于氢营养型产甲烷古菌中。该酶直接催化氢气异裂,还原产甲烷代谢途径中一碳载体四氢蝶呤的次甲基转化为亚甲基。与其他两类氢酶相比,铁氢酶不含传递电子的铁硫簇和双金属活性中心,在结构组成上有较大的差异。此外,铁氢酶活性中心的吡啶环被高度取代,活性中心铁原子直接与酰基碳成键,这些奇特的活性分子结构预示着氢酶全新的催化机制,以及古菌细胞在合成特殊结构大分子方面的特殊功能。本文总结了从1990年发现这类新型氢酶以来的相关研究,分别从氢酶的生理功能、结构特征、催化机制、成熟过程及应用研究等方面阐述铁氢酶的研究进展。     

持续性催化酶类机理研究及其分子动力学模拟

酶分子催化机理研究是生命科学研究领域一个重要的问题.近80年来,过渡态理论在解释酶催化机理问题上占据了主导地位,结合热力学循环、锁钥学说、诱导契合学说以及酶活性中心柔性学说等理论,可以很好地解释多种酶分子的催化过程.近年来,随着蛋白质结构解析方法、单分子分析检测技术及计算机模拟技术的发展,人们对酶分子催化机理的认识愈加深刻.但持续性催化酶类的催化动力研究表明,过渡态理论的解释并不充分.本文对酶催化机理研究的相关进展进行了综述,并针对持续性酶类催化动态过程的特点提出了可能的研究方向及可行的研究方法.     

纳米生物催化的研究现状和发展态势

纳米生物催化领域包括:(ⅰ)利用纳米技术或纳米材料调控生物催化剂的效率;(ⅱ)直接利用纳米材料或技术实现生物催化功能,并拓展生物催化在非友好环境及疾病诊疗中的应用.纳米生物催化已成为纳米生物学重要的研究领域,主要涉及纳米载体固定化酶和纳米材料人工模拟酶(纳米酶).一方面,可以借助纳米技术或材料所具有的特殊纳米效应来增强生物催化剂的效率和稳定性.另一方面,从模拟酶的理念出发,借助纳米材料自身所具有的催化能力,直接实现对生化反应的催化,这类具有酶学特性的纳米酶被视为新一代人工模拟酶.近年来,基于纳米载体固定化酶和纳米酶技术的纳米生物催化已在疾病诊断和治疗、化工制药、环境处理等领域得到了广泛研究,并展示了其具有重要的应用价值.本文简要综述了纳米载体固定化酶和纳米酶的发展历程及应用进展.     

催化混杂性驱动的酶功能重塑

作为生物催化剂,酶蛋白介导的生化反应具有条件温和、绿色环保等优点。然而相比化学催化剂,天然酶功能的局限性制约了它在生物制造领域的广泛应用。前期研究表明,酶蛋白除了催化专一性外,同时还展现出混杂性的一面,可在特定条件下催化非天然模式反应。这一特性为酶分子功能重塑提供了新思路,可用来指导人工酶设计,拓展天然酶的催化边界,实现新颖酶促反应类型,以扩大酶催化应用场景。本文从酶催化功能混杂性背后可能的进化机制入手,综述了当前诱导酶催化功能混杂性的常用策略,如定向进化、构象动力学、反应条件诱导及祖先酶重构等技术,并从催化机制、构效关系及适应性进化等多个角度,结合近年来相关研究实例,探讨了催化功能混杂性背后的分子机制,为突破天然酶促反应局限性、创制催化非天然反应的高效人工酶元件提供参考。     

前沿透视: 纳米酶具有类似生物酶的变性态？

纳米酶被认为在底物识别、催化机制、反应动力学等方面具有类似生物酶的特性,但纳米酶是否具有变性失活、并且在一定条件下恢复活性的特性,这是在纳米酶研究过程中需要关注的问题。     

纳米酶在疾病治疗中的研究与应用

纳米酶是一种新型的具有类酶活性的纳米颗粒人工酶,在生物检测、抗炎、抗氧化损伤和癌症治疗等疾病诊断和治疗领域展现出良好的应用前景。本文总结了具有不同类酶活性的纳米酶在疾病诊治中的应用,并对影响纳米酶活性的主要影响因素进行了阐述,将使相关研究人员更好地了解纳米酶的发展现状,并提供后续研究的相关线索。     

综述与专论: 纳米酶在分析化学中的应用研究：从体外检测到活体分析

纳米酶是指具有类酶催化活性的纳米材料．近年来,纳米酶研究引起了人们的极大兴趣．纳米酶已被广泛应用于诸如生物传感、生物成像、疾病治疗和环境保护等众多领域．在本综述中,我们将着重讨论纳米酶在分析化学领域的研究进展．首先将讨论纳米酶在体外检测的应用,将包括生物活性小分子、核酸、蛋白质类生物标志物、细胞等的检测．其后将讨论纳米酶在活体分析的应用,将包括监测活脑、肿瘤组织等的生物活性小分子、药物的药效、药物与纳米酶的代谢等．最后,我们将讨论纳米酶应用于分析化学时面临的挑战和未来研究前景．     

The impact of elevated carbon dioxide on the phosphorus nutrition of plants: a review

Background Increasing attention is being focused on the influence of rapid increases in atmospheric CO₂ concentration on nutrient cycling in ecosystems. An understanding of how elevated CO₂ affects plant utilization and acquisition of phosphorus (P) will be critical for P management to maintain ecosystem sustainability in P-deficient regions.Scope This review focuses on the impact of elevated CO₂ on plant P demand, utilization in plants and P acquisition from soil. Several knowledge gaps on elevated CO₂-P associations are highlighted.Conclusions Significant increases in P demand by plants are likely to happen under elevated CO₂ due to the stimulation of photosynthesis, and subsequent growth responses. Elevated CO₂ alters P acquisition through changes in root morphology and increases in rooting depth. Moreover, the quantity and composition of root exudates are likely to change under elevated CO₂, due to the changes in carbon fluxes along the glycolytic pathway and the tricarboxylic acid cycle. As a consequence, these root exudates may lead to P mobilization by the chelation of P from sparingly soluble P complexes, by the alteration of the biochemical environment and by changes to microbial activity in the rhizosphere. Future research on chemical, molecular, microbiological and physiological aspects is needed to improve understanding of how elevated CO₂ might affect the use and acquisition of P by plants.     

Uptake and utilization of inorganic carbon by cyanobacteria

In the cyanobacteria, mechanisms exist that allow photosynthetic CO₂ reduction to proceed efficiently even at very low levels of inorganic carbon. These inducible, active transport mechanisms enable the cyanobacteria to accumulate large internal concentrations of inorganic carbon that may be up to 1000-fold higher than the external concentration. As a result, the external concentration of inorganic carbon required to saturate cyanobacterial photosynthesis in vivo is orders of magnitude lower than that required to saturate the principal enzyme (ribulose bisphosphate carboxylase) involved in the fixation reactions. Since CO₂ is the substrate for carbon fixation, the cyanobacteria somehow perform the neat trick of concentrating this small, membrane permeable molecule at the site of CO₂ fixation. In this review, we will describe the biochemical and physiological experiments that have outlined the phenomenon of inorganic carbon accumulation, relate more recent genetic and molecular biological observations that attempt to define the constituents involved in this process, and discuss a speculative theory that suggests a unified view of inorganic carbon utilization by the cyanobacteria.Abbreviations C_i Inorganic carbon - H-cells Cells grown under high CO₂ - L-cells Cells grown under low CO₂ - RuBP Ribulose-1,5-bisphosphate - WT Wild type     

Carbon Solving Carbon's Problems: Recent Progress of Nanostructured Carbon‐Based Catalysts for the Electrochemical Reduction of CO2

The electrochemical reduction of CO₂ to useful molecules offers an elegant technological solution to current energy security and sustainability issues because it sequesters carbon from the atmosphere, provides an energy storage solution for intermittent renewable sources, and can be used to produce fuels and industrial chemicals. Nanostructured carbon materials have been extensively used to catalyse some key electrochemical processes because of their excellent electrical conductivity, chemical stability, and abundant active sites. This progress report focuses on nanostructured carbon materials, namely graphene materials, carbon nanotubes, porphyrin materials, nanodiamond, and glassy carbon, which have recently shown promise as high performing CO₂ reduction electrocatalysts and supports. Along with discussion regarding materials synthesis, structural characterisation, and electrochemical performance characterisation techniques used, this report will discuss the findings of recent computational CO₂RR studies which have been key to elucidating active sites and reaction mechanisms, and developing strategies to break conventional scaling relationships. Lastly, challenges and future perspective of these carbon‐based materials for CO₂ reduction applications will be given. Much work is still required to realise the commercial viability of the technology, but advanced experimental techniques coupled with theoretical calculations are expected to facilitate future development of the technology.     

自养微生物同化CO_2的分子生态研究及同化碳在土壤中的转化

大气中CO2浓度持续升高和全球气候变暖是亟待解决的重大环境问题。自养微生物在环境中广泛分布,能直接参与CO2的同化,因此研究自养微生物同化CO2的分子生态学机制具有重大的科学意义。以往对自养微生物的研究多针对基因组DNA,从DNA水平揭示了不同生态系统中碳同化自养微生物的种群结构和多样性,但这些微生物在生态系统中的具体功能有待进一步的研究。近年来,随着转录组学研究技术和稳定同位素探针技术(SIP)的发展,自养微生物同化CO2的生态机理研究不断深入,这些研究明确揭示了碳同化自养微生物是河流、湖泊和海洋生态系统中CO2固定作用的驱动者,并新发现了一些具有CO2同化功能的微生物群落。基于国内外有关研究进展,从DNA和RNA水平上对自养微生物同化CO2的分子机理以及稳定同位素探针技术(SIP)在碳同化微生物研究中的应用进行了分析和总结,初步展望了RNA-SIP技术在陆地生态系统碳同化微生物分子生态学研究中的前景。同时,探讨了陆地生态系统同化碳的转化和稳定性机理,以期为深入了解生态系统碳循环过程和应对气候变化提供理论依据。     

微生物介导的碳氮循环过程对全球气候变化的响应

土壤是地球表层最为重要的碳库也是温室气体的源或汇。自工业革命以来,对土壤温室气体的容量、收支平衡和通量等已有较多研究和估算,但对关键过程及其源/汇的研究却十分有限。微生物是土壤碳氮转化的主要驱动者, 在生态系统碳氮循环过程中扮演重要的角色,对全球气候变化有着响应的响应、适应及反馈,然而其个体数量,群落结构和多样性如何与气候扰动相互关联、进而怎样影响生态系统过程的问题仍有待进一步探索。从微生物介导的碳氮循环过程入手,重点讨论微生物对气候变化包括温室气体(CO₂,CH₄,N₂O)增加、全球变暖、大气氮沉降等的响应和反馈,并由此提出削减温室气体排放的可能途径和今后发展的方向。     

A colorimetric detection of dopamine in urine and serum based on the CeO2@ZIF-8/Cu-CDs laccase-like nanozyme activity

This study reports a sensitive and selective colorimetric approach for the analysis of dopamine (DA) based on CeO₂@ZIF-8/Cu-CDs laccase-like nanozymes activity. The CeO₂@ZIF-8/Cu-CDs was synthesized using cerium oxide (CeO₂) and copper-doped carbon dots (Cu-CDs) with 2-methylimidazole by a facilely hydrothermal approach. The CeO₂@ZIF-8/Cu-CDs exhibited excellent laccase-like nanozymes activity and can oxidize the colorless substrate (DA) to red product with 4-aminoantipyrine as the chromogenic agent. The Michaelis–Menten constant (K_m) and the maximal velocity (V_max) of CeO₂@ZIF-8/Cu-CDs are 0.20 mM and 1.48 μM/min, respectively. The detection method has a linear range of 0.05–7.5 μg/mL and a detection limit as low as 8.5 ng/mL with good reproducibility. The developed colorimetric sensor was applied to rapid and precise quantitative evaluation of DA levels in serum and urine samples. This study presents a new approach for detecting biological molecules by utilizing the controlled regulation of nanozymes' laccase-like activity.     

Pexophagy: The Selective Autophagy of Peroxisomes

Pichia pastoris and Hanseula polymorpha are methylotrophic yeasts capable of utilizing methanol, as a sole source of carbon and energy. Growth of these yeast species on methanol requires the synthesis of cytosolic and peroxisomal enzymes combined with the proliferation of peroxisomes. Peroxisomes are also abundantly present in the alkane-utilizing yeast Yarrowia lipolytica upon growth of cells on oleic acid. This feature has made these yeast species attractive model systems to dissect the molecular mechanisms controlling peroxisome biogenesis. We have found that upon glucose- or ethanol-induced catabolite inactivation of metabolically superfluous peroxisomes are rapidly and selectively degraded within the vacuole by a process called pexophagy, the selective removal of peroxisomes by autophagy-like processes. Utilizing several genetic screens, we have identified a number of genes that are essential for pexophagy. In this review, we will summarize our current knowledge of the molecular events of pexophagy.     

高浓度CO2对树木生理生态的影响研究进展

大气CO2浓度升高已成为世界范围内的重要环境问题。CO2浓度升高势必会对植物的生理生态变化产生重要影响。综述了国内外有关高浓度CO2对树木生理生态影响研究的最新进展,具体包括高浓度CO2对树木生长发育、光合和呼吸作用、抗氧化系统、树木代谢物质、挥发性有机化合物以及树木凋落物等方面的影响。高浓度CO2一般会促进树木地上植株的生长和发育,但也因树种差异而有所不同。最新研究表明,高浓度CO2促进了树木细根周转,树木根系生长在大气CO2浓度升高条件下表现为促进作用,这种作用加快了全球森林生态系统的C循环。高浓度CO2虽然在一定程度上促进树木光合速率的增加,但长期熏蒸也往往会发生光合驯化,这种现象产生的生理学机制目前仍无定论。高浓度CO2对树木呼吸作用尤其是根系呼吸的影响将是未来研究的重点和难点。高浓度CO2一般会提高树木抗氧化酶活性与抗氧化剂含量,但不同树种响应高浓度CO2的过程和机理也有所差异。研究表明,高浓度CO2一般对树木凋落物的分解产生不利影响,但也因树种而异。需要强调的是,目前关于树木地下部分、树木对高浓度CO2的适应机理和重要过程(碳氮水耦合及基因调控等)以及多个树种包括不同类型树种及不同品种之间比较研究较少;关于某一重要生理生态机制(如根系生理代谢)尤其是多个生态因子复合条件下缺乏长期深入的研究。在此基础上给出了大气CO2浓度升高下树木生理生态学研究的未来发展方向,包括高CO2浓度条件下树木根系生理代谢及机制、树木碳氮水耦合的生理过程及机制、不同生态因子复合作用对树木生理影响机制以及树木分子作用机理等方面的研究。这些研究不仅将丰富森林树木应对未来气候变化的有关科学理论,也为全球气候变化背景下实现森林树种生态功能的优化选择及森林生态系统的可持续发展与经营提供重要的生理生态学理论依据和参考。