原子尺度揭示纤维素酶与氮化硅纳米结构的动态相互作用机制及其生物技术应用

本研究针对纤维素酶(SiN)与氮化硅(Si3 N4 )纳米材料相互作用机制不明的科学问题，通过分子动力学(MD)模拟结合伞采样(US)自由能计算，首次在原子尺度阐明SiN纳米层增强纤维素酶结构稳定性、降低底物结合自由能的分子机制，并发现纳米孔尺寸与能量屏障的线性规律，为开发高效酶固定化技术和纳米孔生物传感器提供理论依据。

　　

纤维素酶作为降解木质纤维素的关键酶系，在生物燃料生产中具有战略意义。然而其工业应用长期面临两大瓶颈：一是酶分子易受环境因素影响而失活，二是木质素非特异性吸附会严重阻碍催化效率。传统解决方案如聚合物修饰虽能部分缓解问题，但缺乏原子层面的机制解析。与此同时，氮化硅(Si₃
N₄
)纳米材料因其优异的生物相容性和物理化学稳定性，在酶固定化和纳米孔传感领域展现出巨大潜力，然而关于其与纤维素酶的相互作用细节始终是未解之谜。

吉林大学的研究团队在《International Journal of Biological Macromolecules》发表的研究中，创新性地采用全原子分子动力学(MD)模拟结合伞采样(US)自由能计算，首次在原子尺度揭示了纤维素酶与Si₃
N₄
纳米结构的动态相互作用机制。研究历时800纳秒的超长时程模拟，构建了包含纤维素酶晶体结构(PDB:1KWF)、Si₃
N₄
纳米层及纳米孔的多体系模型，通过RMSD(均方根偏差)、结合自由能计算等分析方法，系统探究了纳米材料对酶结构和功能的影响。

Construction of simulation systems
研究选取含天然底物纤维五糖的纤维素酶全酶(holo-cellulase)和无底物酶(apo-cellulase)两种状态，在pH=7.0条件下构建了四种模拟体系：溶液中的apo/holo酶、Si₃
N₄
纳米层吸附的apo/holo酶。所有体系均采用AMBER力场进行能量最小化和平衡处理，确保模拟的物理可靠性。

Protein's structural stability
RMSD分析显示，Si₃
N₄
纳米层使纤维素酶整体结构波动降低40%，活性中心残基的构象稳定性提升尤为显著。值得注意的是，holo酶在纳米层表面的结构刚性比溶液状态提高2.3倍，表明材料-酶复合物具有超常的结构稳定性。这种稳定效应源于纳米层与酶分子间形成的多点氢键网络，特别是Si₃
N₄
表面氮原子与酶活性中心谷氨酸残基(Glu54)的强相互作用。

自由能计算揭示更突破性的发现：Si₃
N₄
纳米层使纤维素酶-底物结合自由能降低15.8 kcal/mol，这意味着材料表面可显著增强酶与底物的亲和力。这种"双稳定"效应(稳定酶结构+稳定酶-底物复合物)为解释实验观测到的固定化酶活性提升现象提供了原子尺度证据。

在纳米孔传输研究中，团队发现纤维素酶通过不同孔径(2-5nm)Si₃
N₄
孔道时存在明显尺寸效应：孔径每减小1nm，穿透能垒增加28.6 kcal/mol。这种线性关系为设计纳米孔生物传感器提供了精确的尺寸调控依据。

Conclusions
该研究首次在原子尺度阐明Si₃
N₄
纳米材料增强纤维素酶性能的分子机制：材料表面通过多重相互作用稳定酶整体构象和活性中心，同时优化底物结合能力；纳米孔传输中的尺寸-能垒关系为单分子检测提供理论指导。这些发现不仅解决了酶-材料界面相互作用的机理问题，更开辟了"材料引导的酶功能调控"新研究方向。

研究团队特别指出，Si₃
N₄
纳米层对纤维素酶的稳定效应可能普遍适用于其他工业酶，这为开发新一代纳米酶固定化技术奠定了理论基础。而建立的纳米孔传输模型可直接指导生物传感器设计，推动连续流生物加工技术的发展。该成果由张继龙和王松共同完成，获得国家自然科学基金和吉林省科技发展计划项目支持。