近日，清華大學(xué)化工系戈鈞副教授課題組、化學(xué)系肖海副教授課題組與復(fù)旦大學(xué)理查德·杰爾（Richard Zare）教授課題組合作，在酶-金屬復(fù)合催化劑制備領(lǐng)域取得重要成果，以“蛋白質(zhì)-高分子結(jié)合物中合成高活性酶-金屬復(fù)合催化劑”（Highly active enzyme–metal nanohybrids synthesized in protein–polymer conjugates）為題發(fā)表于《自然·催化》（Nature Catalysis）上。

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41929-019-0305-8

催化是化學(xué)工業(yè)的基礎(chǔ)，為人類社會發(fā)展提供了豐富的材料、能源、藥品等必須保障和支撐。均相催化、多相催化和酶催化是催化的三種基本形式，有著各自廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域和重要價值。三者之間的耦合有望開發(fā)出更高效、環(huán)保、經(jīng)濟的催化過程，并實現(xiàn)單一形式催化難以完成的目標(biāo)，為化學(xué)工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供新技術(shù)。然而，均相催化、多相催化和酶催化的反應(yīng)條件往往不匹配，易造成催化劑失活。其中，酶催化劑一般需要在常溫、常壓、水溶液等溫和條件下發(fā)揮作用。因此，如何設(shè)計酶與均相、多相催化劑的復(fù)合催化劑，使其在相對溫和條件下同時具備各自較高的催化活性是一個關(guān)鍵的挑戰(zhàn)。

圖1. （a） 酶-金屬復(fù)合納米催化劑的制備方法；（b） 脂肪酶-鈀復(fù)合催化劑在外消旋反應(yīng)和動力學(xué)拆分反應(yīng)中的催化效率；（c） 脂肪酶-鈀復(fù)合催化劑在動態(tài)動力學(xué)拆分中的催化性能；（d） 重復(fù)使用性能；（e）理論計算的外消旋化反應(yīng)自由能曲線。

在這項工作中，研究者利用酶-高分子結(jié)合物的限域結(jié)構(gòu)原位還原合成了金屬亞納米顆粒，從而構(gòu)建了酶-亞納米金屬復(fù)合催化劑。利用擴展X射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)、基于微液滴反應(yīng)在線快速消解蛋白的納升電噴霧質(zhì)譜、分子動力學(xué)模擬等手段，研究者對酶-高分子結(jié)合物限域結(jié)構(gòu)中還原金屬亞納米顆粒的過程進行了深入分析。通過實現(xiàn)多種酶和金屬顆粒的組合，研究者證明了該合成方法具有較好的普適性。其中，脂肪酶-鈀亞納米團簇復(fù)合催化劑（0.8Pd/CALB-Pluronic）很好保持了脂肪酶的活性，同時在鈀催化的（S）-1-苯基乙胺外消旋化中表現(xiàn)出高活性，在酶促反應(yīng)相對較低的溫度下，比商業(yè)化鈀碳催化劑活性高近50倍。通過密度泛函理論計算，研究者發(fā)現(xiàn)鈀亞納米團簇中金屬原子與氧之間的配位能提高催化劑的活性。立體選擇性酰胺化反應(yīng)的酶催化和胺類化合物外消旋化反應(yīng)的鈀催化相耦合，使該復(fù)合催化劑可應(yīng)用于（±）-1-苯乙胺、（±）-1-氨基茚滿、（±）-1,2,3,4-四氫-1-萘胺等胺類化合物的化學(xué)-生物法動態(tài)動力學(xué)拆分以制備重要的手性藥物中間體，其催化效率分別比商業(yè)化的固定化脂肪酶和鈀碳催化劑的組合提高7.6、3.1、5倍。

這項工作通過在蛋白-高分子結(jié)合物納米限域空間中可控合成酶-金屬亞納米團簇復(fù)合物，揭示了復(fù)合催化劑中蛋白、高分子中有機官能團對金屬亞納米顆粒的界面調(diào)控機制，探索了酶-金屬復(fù)合催化劑在手性藥物綠色合成中的應(yīng)用。這項工作為酶催化和多相催化耦合及其在綠色生物制造以及環(huán)境污染物降解中的應(yīng)用提供了新思路。該研究工作得到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、北京市自然科學(xué)基金等項目資助。

論文共同第一作者為清華大學(xué)化工系2015級博士生黎曉陽、2018級博士生曹宇飛和復(fù)旦大學(xué)化學(xué)系駱凱博士，清華大學(xué)為論文第一單位。論文共同通訊作者為清華大學(xué)化工系戈鈞副教授、化學(xué)系肖海副教授和復(fù)旦大學(xué)化學(xué)系理查德·杰爾教授。