1.摘要

10月5日，南京师范大学微生物改造技术全国重点实验室崔海洋教授课题组联合中国科学院天津工业生物技术研究所张玲玲研究员团队，在国际催化领域权威期刊《ACS Catalysis》在线发表题为“Molecular Dynamics Simulations Empowered De Novo Design of Binding Peptide for Enhanced Direct Bioelectrocatalytic Oxygen Reduction”的研究论文。该研究将生成式人工智能与分子动力学模拟相结合，建立了酶—材料界面结合肽从头设计与筛选方法，为提升酶电极直接电子传递效率提供了新的研究思路。

图1人工智能驱动的碳纳米管结合肽设计工作流程

2.内容

酶电催化采用酶作为电催化剂催化电极上的氧化还原反应，在酶生物燃料电池、生物电合成、以及电化学生物传感领域有广阔的应用前景。然而，许多氧化还原酶与电极之间的电子传递效率较低，特别是当酶以随机方向吸附在电极表面时，活性中心与电极之间的距离可能过远，成为制约酶电催化性能的重要因素。

结合肽可以作为连接酶与电极材料的“分子锚”，引导酶以更有利的方向固定在材料表面。但是，传统结合肽主要依赖噬菌体展示、核糖体展示或经验改造等方法获得，往往存在筛选周期长、实验工作量大和序列空间覆盖有限等问题。与此同时，仅仅提高结合强度并不一定能够改善酶电催化性能，酶在界面上的取向、空间位阻和界面水化状态同样会显著影响电子传递。因此，如何同时兼顾材料结合能力与酶的界面取向，是结合肽设计面临的关键挑战。

针对这一难题，研究团队构建了由蛋白质语言模型ESM-2、RFdiffusion、ProteinMPNN和分子动力学模拟共同驱动的设计流程。研究人员首先从205条已报道的碳纳米管结合肽中筛选代表性亲本肽，随后识别其关键界面锚定残基，并在保留功能位点的基础上开展骨架和序列设计。该流程共生成约4万条原始候选序列，经过多层筛选得到56条候选肽，并进一步利用分子动力学模拟评价其在碳纳米管表面的动态吸附行为。

实验结果显示，经分子动力学筛选的14条候选肽中，有7条能够提高漆酶BpL的生物电催化性能，实验成功率达到50%。其中，BpL-DP-6-11的电流密度较野生型提高35.5%；BpL-DP-6-5和BpL-DP-1-9的酶负载量分别提高5.7倍和3.9倍。相比之下，未经分子动力学筛选的11条从头设计肽均未获得明显性能提升，说明动态模拟能够有效提高人工智能设计候选序列的实验命中率。进一步的分子机制研究表明，设计肽中的芳香族残基能够与碳纳米管形成稳定的π-π堆积和范德华相互作用，引导酶形成更有利的界面取向，并促进界面水分子的排出，从而增强酶与电极之间的直接电子传递。

该研究建立了“生成式设计-分子动力学筛选-实验验证-机制解析”的结合肽研发流程，为人工智能设计结果提供了物理层面的动态验证，也为酶-材料界面的可编程调控提供了新的技术框架。未来，该方法有望拓展至金属、聚合物和二维材料等界面，并应用于包括酶电催化的更广阔领域。

论文第一作者为南京师范大学2025级博士生王秀风，张鹤渐和中国科学院天津工业生物技术研究所张萌。南京师范大学崔海洋教授和中国科学院天津工业生物技术研究所张玲玲研究员为共同通讯作者。该研究受到合成生物学国家重点研发计划、国家科技重大专项、江苏省基础研究计划（自然科学基金）项目、微生物技术国家重点实验室开放课题基金、及天津市自然科学基金项目的支持。

3.作者

王秀风，南京师范大学2025级博士生，当前主要研究方向为计算机辅助的酶工程策略开发，蛋白质从头设计等。致力于发展融合分子动力学模拟的计算驱动蛋白质设计策略，面向催化、分子识别等功能定制蛋白。

张萌，北京化工大学在读博士研究生，当前主要研究方向为合成生物学。硕士阶段依托天津工业生物技术研究所科研平台开展酶电催化相关研究。本次发表论文为其硕士阶段代表性成果。

张鹤渐，曾在南京师范大学崔海洋教授指导下担任研究助理，研究方向聚焦于人工智能辅助的蛋白质设计与计算酶工程，致力于发展计算驱动的蛋白质设计策略，推动高效生物催化体系的开发与应用。

张玲玲，中国科学院天津工业生物技术研究所研究员，博导，德国洪堡学者。2016年于中国科学院长春应用化学研究所获得博士学位后，先后在丹麦和德国开展博士后研究。2020年加入中国科学院天津工业生物技术研究所，专注从事生物电化学和生物电催化研究，研究课题包括酶-电极界面电子传递机制解析、酶燃料电池及电化学传感平台构建、电能驱动二氧化碳生物转化利用及体外生物电合成体系的设计与应用，目前已经在Nat. Commun., Angew. Chem. Int. Ed., ACS Catal., Advanced Science等杂志发表学术论文50余篇，主持和参与国家自然科学基金、国家科技重大专项、国家重点研发计划、中科院和天津市项目10项。

崔海洋，教授，博士生导师，微生物改造技术全国重点实验室固定成员，南京师范大学生命科学学院-副院长，国家科技部重大专项-基础前沿项目首席科学家，国家级青年人才（海外），江苏省杰青，江苏省特聘教授。2020年，博士毕业于德国亚琛工业大学；同年，进入德国DWI-莱布尼茨互动材料研究所进行博士后研究；2021-2023年于美国伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校继续进行博士后研究。2024年加入南京师范大学，组建“人工智能与工程生物学”研究团队。已发表SCI论文66篇，其中一作通讯（含共同）36篇（包括Nature, Science, Chem等）。ABLab课题组网站：http://www.oceancuilab.com