光催化激活」酶「好生活

2020-11-22 騰訊網

菠蘿是大家非常喜歡吃的一種水果。那麼大家知道菠蘿為什麼在食用之前要用鹽水浸泡呢？這其中就涉及到我們的嘉賓之一——酶。

我們都知道，酶在生物體內扮演著非常重要的角色，生物體通過酶來加速體內的化學反應。酶作為生物催化劑，是由動物、植物以及微生物產生的具有催化能力的有機物。相比於其他催化劑，酶催化劑在選擇性、催化效率以及反應條件上有著絕對的優勢，因此，酶在工業生物催化中有著重大意義。

由於很多化學與生物轉化都離不開氧化還原過程，因此應用氧化還原酶的生物催化技術得到了廣泛關注。但是伴隨著氧化還原酶的大規模使用，有一個問題亟待解決。這便是在使用氧化還原酶進行生物催化過程中，生成產物的同時會消耗一定量的輔因子（如NAD+/NADH），這種輔因子是酶催化反應中所必需的非蛋白小分子化合物。它作用至關重要，價格卻非常昂貴，通常每克幾千到幾萬元，在工業生物催化過程中用量巨大。由此看來，建立一個獨立的輔因子原位再生體系尤為重要。

輔因子NAD+參與的酶催化反應（圖片來自網絡）

常見的輔因子再生方法有化學法、電化學法以及光化學法。通過對這些方法進行對比發現，光化學法在構建輔因子再生體系上有著獨特的魅力，不僅僅表現在它可以像光合系統一樣利用潔淨的太陽能，而且還可以通過控制「光開關」來實現反應的進行與終止、劇烈與緩慢。這種可控性不正是現代化生產所追求的目標嗎？通過簡單的光照，就可以實現生物催化過程中昂貴輔因子的再生，搭建起化學與生物技術融合的平臺。

光催化反應實現底物轉化（圖片來源：Catalysis(2019):4115-4144）

中科院青島能源所生物基材料組群的科研人員設計並製備一種新型釕配合物光催化劑，以此實現了高效的煙醯胺類輔因子的再生。該策略以新型釕配合物催化劑為出發點，搭配綠色、可再生的甲酸鹽為還原劑，並且整個反應過程不產生對酶自身有毒的物質，並且該體系TOF（Turnover Frequency）高達190 h-1，接近傳統的RhCp*（bpy）H2O(TOF=80h-1)型輔因子再生催化劑的2.5倍，可實現高效的NAD+再生。

新型光催化輔因子再生體系（圖片來源：Green Chemistry 22(2020)）

擁有如此高效的輔因子再生體系，可以在工業生物催化過程中源源不斷地向酶輸送輔因子，從根本上解決了昂貴輔因子的消耗問題。這項技術的不斷發展，還將挑戰更多不飽和底物的還原反應。而這整個反應體系，僅需要一束光來驅動。

光催化的魅力不僅僅迸發在輔因子再生方面，而且在光解水制氫、光降解汙染物、光催化合成以及光催化還原CO2等領域的應用日趨成熟。

參考文獻：

1. Wenjin Dong, Jie Tang, Lijun Zhao, Fushan Chen, Li Deng, & Mo Xian. (2020). The visible-light-driven transfer hydrogenation of nicotinamide cofactors with a robust ruthenium complex photocatalyst. Green Chemistry, 22.

2. Luca Schmermund, Valentina Jurka, F. Feyza zgen, Giovanni D. Barone, & Wolfgang Kroutil. (2019). Photo-biocatalysis: biotransformations in the presence of light. ACS Catalysis, 4115-4144.

來源：中國科學院青島生物能源與過程研究所

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