多酶活性納米酶是指同時具有多種類酶活性的納米材料，因其能夠促進級聯(lián)反應，利用協(xié)同效應，同時展現(xiàn)對環(huán)境響應的選擇性而備受矚目。然而，多酶活性納米酶在不同條件下表現(xiàn)出不同的類酶活性，這給其催化的精確調節(jié)和設計帶來了巨大挑戰(zhàn)。
數(shù)據(jù)驅動指的是通過收集、分析和利用數(shù)據(jù)來指導決策和行動，包括數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)分析、指導決策與迭代優(yōu)化。通過對收集到的數(shù)據(jù)進行分析，可以了解其中所包含的信息和關系。通過對數(shù)據(jù)分析的結果進行解讀和理解，可以為決策提供支持和指導。同時數(shù)據(jù)驅動是一個持續(xù)迭代的過程，通過不斷收集數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)并優(yōu)化行動，可以持續(xù)改進和優(yōu)化材料設計方案。
材料的進化設計是參照自然遺傳進化方式改進的材料設計方案。引入自然遺傳進化中的基因型、表現(xiàn)型、進化與適應度等概念。其中將空間群、元素類型、元素比例、化合價等定義為進化設計中的基因型，收集文獻中納米酶的活性類型構成了材料的表現(xiàn)型。篩選所設計的材料即為材料的進化過程，所設計材料的納米酶活性與設計需求之間的匹配度就是適應度。
為了解決多酶活性納米酶理性設計的問題，本研究提出了一種基于數(shù)據(jù)驅動的“進化設計”方法，通過模擬自然界生物遺傳進化的過程，為構建多酶活性納米酶提供了一種創(chuàng)新的設計策略和理論基礎。本研究以"Data-Driven Evolutionary Design of Multienzyme-like Nanozymes"為題發(fā)表在Journal of the American Chemical Society（中科院1區(qū)TOP期刊，影響因子15.0）。作者建立了一個包含元素類型、比例、化學價、形貌、催化條件等信息的納米酶數(shù)據(jù)庫。通過對這些納米酶信息進行相關分析和聚類，作者重新組織了不同納米酶分類中的物質特征，為多酶活性納米酶的設計提供了基礎。基于量子力學/分子力學方法（QM/MM）和機器學習算法，作者分析了底物的表面吸附能和結合能，識別了最佳的反應途徑，輔助多酶活性納米酶的進化設計。最終，通過這一方法成功創(chuàng)建了一個高活性的多酶活性納米酶（CuMnCo7O12）。
在進化設計的過程中，作者通過模擬、機器學習和實驗驗證實現(xiàn)了對多酶活性納米酶活性的精準設計和優(yōu)化。這種方法不僅顯著縮短了研發(fā)周期、節(jié)省了研發(fā)成本，同時也滿足了多種設計要求，展現(xiàn)了巨大的應用潛力。在基于數(shù)據(jù)驅動的“進化設計”方法中，多酶活性納米酶的進化過程通過模擬、量子力學/分子力學方法和機器學習技術實現(xiàn)了高效、精準的設計和優(yōu)化。通過實驗驗證，作者證實了設計的多酶活性納米酶的活性符合設計預期。這一創(chuàng)新的設計策略為納米酶研究領域帶來了新的思路和方法，為納米酶技術的應用和推廣提供了重要的參考。
未來，隨著數(shù)據(jù)驅動進化設計的進一步發(fā)展，多酶活性納米酶的設計和優(yōu)化將更加高效、精準和可持續(xù)。這種方法有望在藥物開發(fā)、環(huán)境治理、生物傳感等領域發(fā)揮關鍵作用，為解決全球性挑戰(zhàn)提供新的解決方案。
圖1.數(shù)據(jù)驅動多酶活性納米酶進化設計的過程流程圖。
論文第一作者為青島科技大學材料學院碩士研究生姜宇潔，通訊作者為青島科技大學材料學院朱之靈副教授與隋凝副教授。上述工作得到了國家自然科學基金和山東省自然科學基金支持。
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https://doi.org/10.1021/jacs.3c13588
