海内外院士专家“共话”纳米生物学

进入二十一世纪以来，学科发展呈现汇聚态势，纳米生物学的出现则印证了这一特征。纳米生物学使得纳米科学和生物科学这两大领域融合发展，为生命科学提供了一种新的研究视角，为发展前沿技术提供了新的知识源泉，前景无限。

“Nanobiologyis to understand the structure, function and operation mechanism of biological systems at microscale from the perspective of nanoscience, to study the biological effect of nanomaterials, and to use the methods and tools of biotechnology and nanotechnology to create bio-based or bionic functional nanostructures and nanodevices so as to develop nanobiotechnology and benefit human beings. In short, nanobiology is to learning and mimicking the biological systems, while nanobiotechnology is to develop and utilize the biological systems.”

——张先恩

Sci China Life Sci2020, 63:1099-1102

Science China Life Sciences(SCLS)特邀中国科学院生物物理研究所张先恩研究员组织出版Nanobiology专题。该专题邀请了活跃在纳米生物学研究领域前沿、特色鲜明的6个研究组，围绕天然生物纳米机器和生物传感器、生物大分子纳米器件的理性设计、仿生纳米器件、纳米材料的生物效应等方向撰文，集中反映了纳米生物学领域的代表性研究进展，并给出纳米生物学定义。

Sci China Life Sci2020, 63:1099-1200

专题简介

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美国俄亥俄州立大学RNA纳米技术和纳米医学中心

天然分子马达存在于各种生物体中。它们在细胞内物质流和能量流的驱动中起着关键作用。美国俄亥俄州立大学RNA纳米技术和纳米医学中心郭培宣教授是生物分子马达研究的一位先驱，为揭示分子马达的机理做出了长期不懈的努力。本专题中，以病毒DNA包装马达为例，他的团队系统回顾了生物分子马达的研究进展，包括精巧的马达通道、同源多亚基的马达化学计量学和pRNA六聚体环的紧密装配，还特别介绍了如何通过理解分子马达的工作机理来引导纳米技术发展和在生物医学中的应用。

上海交通大学，中国科学院院士

核酸框架的概念是由中国科学院院士、上海交通大学樊春海教授提出的。通过拓扑设计，单链DNA或RNA可以通过折纸术等自组装技术图案化，形成多种多样的纳米结构，展现出生物纳米艺术之美。其中，DNA框架结构，不仅具有高精度可编程、多样性、刚性等特点，而且可以产生依赖于空间结构的特定生理生化功能，是理想的生物纳米构件，具有广泛应用前景。本专题中，樊春海教授团队聚焦DNA框架核酸功能化生物传感界面科学，系统介绍了研究进展。通过设计DNA框架核酸结构，使电化学生物传感界面上的分子识别能力得到了显著提升，由此开发了一系列核酸、小分子、蛋白质和细胞的先进生物传感器，是纳米生物学在生物传感领域中的成功应用。

中国科学院生物物理研究所

中国科学院武汉病毒研究所

生命体系中的蛋白质分子机器是结构与功能完美统一的天然范例。中国科学院生物物理研究所张先恩研究员和中国科学院武汉病毒研究所李峰研究员等联合团队在病毒和细菌蛋白元件的系统性挖掘中获得丰富经验，设计和构建了一维、二维、三维和多层级的蛋白纳米功能结构与器件。该团队在本专题中介绍了各类蛋白纳米结构的特点、设计、生物合成与自组装、功能化策略，以及在生物传感与成像、生物催化、组织工程、生物分离、药物递送、生物光子学等领域的应用。学习其自组装原理，不仅有助于加深对蛋白质机器的理解，也为发展生物功能纳米结构和器件提供新思路。

韩国汉城大学，韩国科学技术院院士

嗅觉和味觉感受器是典型的天然生物传感器的识别元件，对目标分子具有很高的选择性。将它们与物理换能器以及碳纳米管、石墨烯等碳纳米材料整合，可以提高人工纳米生物传感器的灵敏度。本专题中，韩国科学技术院院士、韩国汉城大学Tai Hyun Park教授团队在嗅觉和味觉受体纳米传感器方向持续创新，经验丰富。在本专题中，该团队展示了基于嗅觉/味觉感受器的场效应晶体管纳米生物传感器平台，可以广泛应用于食品和饮料工业、环境监测、生物医学、反化学恐怖等领域。

国家纳米科学中心

国家纳米科学中心，

中国科学院院士

纳米技术的广泛应用导致大量纳米材料进入环境，增加了人类暴露和吸收的风险。了解纳米材料与生物系统的相互作用是评价纳米生物效应和毒理学的基础。纳米材料的比表面积、化学活性和晶体缺陷随其尺寸减小呈指数增长，这决定了纳米材料的高反应活性、应用的广泛性以及与生物体作用的多向性。纳米材料与生物体的作用是一个多维度的问题。要明确判断纳米材料的“正”向或“负”向作用，阐明纳米材料的生物作用机制，需要大量实验数据的积累。国家纳米科学中心的陈春英研究员、中国科学院院士赵宇亮研究员团队基于长期、系统性研究发现：尺寸是决定纳米材料“正”向或“负”向作用的重要因素之一。这对科学认识纳米材料的生物安全性及其在医药领域的应用，具有重要的学术和现实意义。

中国科学院生物物理研究所，中国科学院院士

中国科学院生物物理研究所

中国科学院院士、中国科学院生物物理研究所阎锡蕴研究员团队发现的纳米酶是具有类酶活性的功能纳米材料，开辟了纳米材料研究新方向。作为新一代模拟酶，纳米酶在稳定性和多功能性等方面相比传统化学模拟酶有明显优势，因此获得广泛关注。但是，由于缺乏精细的表面结构，纳米酶在催化效率上还难以与天然酶相比。近期许多研究效仿天然酶的结构特点和催化机制来对纳米酶进行仿生设计。引入“辅助因子”和构建类酶“活性中心”等仿生策略被证实可以显著提高纳米酶的催化效率。本专题中，阎锡蕴研究员和范克龙研究员等对纳米酶仿生设计的近期研究进展做了总结和展望，旨在为未来纳米酶的仿生优化提供灵感助力。