光催化激活”酶“好生活

来源：中科院之声

菠萝是大家非常喜欢吃的一种水果。那么大家知道菠萝为什么在食用之前要用盐水浸泡呢？这其中就涉及到我们的嘉宾之一——酶。

我们都知道，酶在生物体内扮演着非常重要的角色，生物体通过酶来加速体内的化学反应。酶作为生物催化剂，是由动物、植物以及微生物产生的具有催化能力的有机物。相比于其他催化剂，酶催化剂在选择性、催化效率以及反应条件上有着绝对的优势，因此，酶在工业生物催化中有着重大意义。

由于很多化学与生物转化都离不开氧化还原过程，因此应用氧化还原酶的生物催化技术得到了广泛关注。但是伴随着氧化还原酶的大规模使用，有一个问题亟待解决。这便是在使用氧化还原酶进行生物催化过程中，生成产物的同时会消耗一定量的辅因子（如NAD+/NADH），这种辅因子是酶催化反应中所必需的非蛋白小分子化合物。它作用至关重要，价格却非常昂贵，通常每克几千到几万元，在工业生物催化过程中用量巨大。由此看来，建立一个独立的辅因子原位再生体系尤为重要。

辅因子NAD+参与的酶催化反应（图片来自网络）

常见的辅因子再生方法有化学法、电化学法以及光化学法。通过对这些方法进行对比发现，光化学法在构建辅因子再生体系上有着独特的魅力，不仅仅表现在它可以像光合系统一样利用洁净的太阳能，而且还可以通过控制“光开关”来实现反应的进行与终止、剧烈与缓慢。这种可控性不正是现代化生产所追求的目标吗？通过简单的光照，就可以实现生物催化过程中昂贵辅因子的再生，搭建起化学与生物技术融合的平台。

光催化反应实现底物转化（图片来源：Catalysis(2019):4115-4144）

中科院青岛能源所生物基材料组群的科研人员设计并制备一种新型钌配合物光催化剂，以此实现了高效的烟酰胺类辅因子的再生。该策略以新型钌配合物催化剂为出发点，搭配绿色、可再生的甲酸盐为还原剂，并且整个反应过程不产生对酶自身有毒的物质，并且该体系TOF（Turnover Frequency）高达190 h-1，接近传统的RhCp*（bpy）H2O(TOF=80h-1)型辅因子再生催化剂的2.5倍，可实现高效的NAD+再生。

新型光催化辅因子再生体系（图片来源：Green Chemistry 22(2020)  ）

拥有如此高效的辅因子再生体系，可以在工业生物催化过程中源源不断地向酶输送辅因子，从根本上解决了昂贵辅因子的消耗问题。这项技术的不断发展，还将挑战更多不饱和底物的还原反应。而这整个反应体系，仅需要一束光来驱动。

光催化的魅力不仅仅迸发在辅因子再生方面，而且在光解水制氢、光降解污染物、光催化合成以及光催化还原CO2等领域的应用日趋成熟。

参考文献：

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.