酶能调控农作物生理过程，通过降解或转化有害小分子，以及消除作物体内的活性氧等途径提高作物的抗逆性。为对抗逆境胁迫，作物体内涉及大量酶催化历程，不同的胁迫环境下农作物对酶的功能性要求存在明显差异。天然酶的催化性能较为单一，同时存在生产成本高、易变质、保存难等问题。近年来，类酶纳米材料因其自身蕴含的类酶活性、可批量化生产的潜质、卓越的环境稳定性引起了国际生物物理领域的广泛关注。长期以来，由于难以构建具有精确结构的活性位点和外围组织，且缺乏对其构效关系的理解与认识，使得设计具有精确类酶活性的纳米酶材料一直是该领域的难点和挑战。

基于此，我院资环所农业环境纳米材料创新团队科研人员提出“活性中心+外围组织”的类酶设计理念，通过模拟甲烷单加氧酶的微观结构，利用原位合成法精准构筑了一种无机硅铝骨架材料环绕金属团簇的类氧化酶纳米材料。通过实验手段和理论计算相结合，证实外围无机骨架材料对活性金属团簇的性能有巨大影响，与传统纳米材料相比，该类氧化酶纳米材料中金属团簇对氧气的活化温度可降低50℃。此外，金属团簇外围无机硅铝骨架中的内介电场通过影响羧基官能团的吸附强度和取向赋予该类酶纳米材料高度的催化专一性，在温和条件下可实现对烷烃的高度专一性氧化。该研究通过调节类酶材料活性位外围组织的微结构实现了对其类酶性能的精准调控。

上述工作发表在国际知名期刊Chemical Engineering Journal上（中科院一区TOP，IF = 16.744）。该论文第一署名单位为江苏省农业科学院农业资源与环境研究所，论文第一作者为张志杨博士，通讯作者为肖清波副研究员和徐文龙博士，团队胡米博士参与了模型设计方面的工作。此外，西北工业大学黄维院士给予了本工作建设性的指导意见。研究获得国自然面上项目（22078136）、江苏省农业科技自主创新项目（CX(20)3079）、江苏省农业科学院颠覆性项目（ZX(21)4112）等资金支持。

在上述工作的研究基础上，近期团队研究人员已研究开发出适用于多种场合和植物的农业纳米酶产品，如抵御秸秆还田和连作障碍中酚酸胁迫的智能原子纳米酶、缓解中重度盐胁迫下的过渡金属聚合物纳米酶、缓解干旱胁迫的碳基和有机聚合物纳米酶等，以及适用于不同胁迫环境或正常环境下的纳米酶材料，上述农业纳米酶产品正在盐城和启东等地进行大田实验的实际验证。

图1. 类酶纳米材料的配体保护的原位合成

图2. 构筑的类酶纳米材料的类氧化酶活性和专一性

图3. DFT理论计算研究类氧化酶纳米材料的高专一性氧化路径和机制

图4. 农业纳米酶产品在盐城和启东大田实验的实际验证

文章链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894723022325