计算驱动的纳米酶理性设计手段

计算驱动，即利用计算机以原子水平的分子模型来模拟材料的结构与行为，进而模拟材料的各种物理、化学性质，使材料的研究与开发更具方向性，从而大幅提高材料设计效率。计算驱动可以在虚拟环境下，从微观、介观、宏观尺度对材料进行多尺度研究，建立材料的结构与性能之间的联系，实现材料的性能优化和理性设计。现阶段计算驱动的纳米酶研究主要以基于第一性原理的DFT计算为主。通过DFT计算在实验前构建接近于真实纳米酶结构的模型，研究纳米酶表面的催化活性位点和反应机理，解析不同类型纳米酶催化活性的影响因素，揭示纳米酶的构-效关系，从而为纳米酶的设计提供理论指导。

通过对基于计算驱动的纳米酶理性设计的阶段性总结，笔者对类过氧化物酶、类氧化物酶、类超氧化物歧化酶、类过氧化氢酶、类水解酶纳米酶的催化基元反应作了系统介绍（图2）。利用计算驱动，可以得到实验中难以测量的纳米酶基元反应信息，对催化反应热力学进行详细的分析，对每步基元反应的能垒、氧化还原电位等进行精确计算，从而降低纳米酶催化机理的研究难度。同时，基于计算驱动的纳米酶理性设计，还可以利用计算获得的基元反应相关数据以及其他催化反应常数，建立纳米酶活性描述符，并利用活性描述符对纳米酶催化活性在实验前进行预测，从而大幅减少目标活性纳米酶的开发周期和设计成本。计算驱动指导的纳米酶理性设计必将成为所需目标活性纳米酶强有力的设计方法。

但是，现阶段的计算驱动方法仍然存在一些问题。纳米酶基元反应的研究大多停留在计算层面，缺乏实验证据。一些纳米酶对不同的底物可能具有不同的催化机理，因此使用单一的类酶催化机理是不准确的。计算驱动主要是DFT指导的，通过热力学分析对纳米酶进行描述，得到的纳米酶数据局限性较大。因为纳米酶的催化反应时常伴随外场环境，仅仅只进行热力学分析是不够的，需要进行化学反应动力学分析，而动力学分析计算主要通过分子模拟。因此，下阶段的计算驱动手段将会是第一性原理和分子动力学相结合，将热力学和动力学相互联系，对纳米酶进行更加准确的能量计算，建立更加贴合实际的纳米酶描述符。同时，现阶段使用的描述符对纳米酶催化活性的预测存在局限性，部分纳米酶存在多个描述符，每个描述符对纳米酶催化活性的预测具备不同的精确度，计算驱动的方法难以同时利用多个描述符进行催化活性预测，而数据驱动的方法有望克服这一缺点。