Новое исследование предполагает, что минеральные наночастицы являются повсеместными миметиками ферментов в системах Земли
Глобально в земной системе ежегодно циркулируют тысячи тераграмм (Тг) минеральных наночастиц. Эти частицы повсеместно распространены в атмосфере, океанах, водах, почвах, в и/или на большинстве живых организмов и даже внутри таких белков, как ферритин. В природной среде они могут образовываться двумя путями: «сверху вниз» (например, при выветривании) и «снизу вверх» (через кристаллизацию, реакцию или биологические процессы).
Эти наночастицы могут обладать множеством ферментоподобных свойств, таких как активность оксидазы, пероксидазы, каталазы и супероксиддисмутазы, в зависимости от локальных условий. Повсеместно встречающиеся в земных системах железосодержащие минералы, такие как ферригидрит, гематит и магнетит, обладают пероксидазоподобной активностью. Среди них ферригидрит демонстрирует наивысшую активность благодаря наименьшему размеру частиц и наибольшей удельной поверхности.
По сравнению с природными ферментами, минеральные нанозимы обладают рядом преимуществ: низкая стоимость, повышенная стабильность, устойчивая каталитическая активность и устойчивость к суровым условиям. Благодаря своим свойствам они играют ключевую роль в биогеохимических циклах элементов. Учитывая огромную биомассу грибов и бактерий (около 70 и 120 Гт углерода соответственно) и их повсеместную симбиотическую связь с растениями, минеральные нанозимы могут иметь важное значение для коэволюции микробов и минералов, круговорота питательных веществ, секвестрации углерода и смягчения изменения климата.
В земных системах разнообразные микроорганизмы являются огромным источником супероксида (O₂⁻) или перекиси водорода (H₂O₂). Минеральные нанозимы могут регулировать уровень активных форм кислорода (АФК). Взаимодействие между нанозимами и микроорганизмами, приводящее к образованию высокоокислительного гидроксильного радикала (HO⁺), может играть важную роль в биогеохимических циклах элементов.
«Вся работа с минеральными нанозимами все еще находится на лабораторной стадии и не является полевыми исследованиями», — отметил Гуан-Хуэй Ю из Школы наук о системе Земли Тяньцзиньского университета. Как пишут исследователи в статье в Science China Earth Sciences, «каталитическая активность минеральных нанозимов в основном определяется кислородными вакансиями на поверхности минерала». Поскольку нанозимы могут катализировать разложение H₂O₂ с образованием HO⁺, они уже широко используются в области восстановления окружающей среды, например, для удаления органических загрязнителей в широком диапазоне pH.
«Влияние минеральных нанозимов на микробные сообщества в окружающей среде остается неясным, — отмечают ученые. — Их обнаружение может выявить ранее неизвестный путь обратной связи в коэволюции микробов и минералов, который прольет свет на ряд давних вопросов, таких как происхождение и эволюция жизни, через модуляцию уровня АФК». Открытие наноматериалов как новых миметиков ферментов меняет традиционное представление об их химической инертности в земных системах.