工業酶催化的兩大挑戰是酶催化的化學反應類型有限,以及工業催化中酶在苛刻條件下的不穩定性。迫切需要將酶催化擴展到更大的底物范圍和更多種類的化學反應,并調整酶分子周圍的微環境以實現高酶性能。


近日,由中國清華大學葛俊教授領導的研究小組回顧了他們使用 de novo 方法合成可以解決這兩個挑戰的雜化酶催化劑的工作,并討論了結構功能關系,以揭示設計雜化的原則酶催化劑。成果發表在《中國催化學報》上。

通過從頭方法合成的雜化酶催化劑可用于擴大生物催化

原位合成雜化酶催化劑以改進和擴大酶催化作用是解決工業生物催化挑戰的重要途徑。介紹了雜化酶催化劑的合理設計的構建原理、結構-功能關系、生物催化與金屬催化的結合等關鍵因素。該帳戶闡明了合理結構設計的雜化酶催化劑的開發,以在更多化學制造過程中擴展生物催化。


2012年,他們首次報道了一種共沉淀法制備酶-無機-晶體復合材料。共沉淀法通常用于制備具有各種無機晶體(包括 MOF)的雜化酶催化劑。2014 年,他們首次提出了一種直接合成蛋白質嵌入 MOF 的共沉淀策略。合成酶-MOF 復合材料的共沉淀策略廣泛應用于不同類型的 MOF、酶、蛋白質、DNA、siRNA、抗體甚至細胞。討論了MOFs在密閉環境中提高酶活性和穩定性的機制。除此之外,他們構建了多酶-MOF 復合材料以增強受限支架中的級聯反應,并開發了一種粗粒度、基于粒子的模型來了解活性增強的起源。

通過從頭方法合成的雜化酶催化劑可用于擴大生物催化

當酶底物具有相對較高的分子量時,具有有限孔徑的 MOF 中酶的表觀活性通常會受到損害。通過在 MOF 基質中引入缺陷以產生更大的孔,可以減輕擴散限制。因此,他們開發了在共沉淀過程中將缺陷引入 MOF 的方法。調整 MOF 前體的濃度,可以合成有缺陷的甚至無定形 MOF。這些缺陷在復合材料中產生了中孔,促進了底物與封裝酶的接觸并提高了表觀酶活性。對缺陷產生的機制進行了徹底的研究和理解。


此外,代替酶包封,小的無機晶體可以在酶表面的密閉環境中原位生長,以結合酶催化和化學催化。他們展示了如何構建酶-金屬雜化催化劑以有效地結合酶催化和金屬簇催化。單一脂肪酶-聚合物偶聯物作為受限納米反應器用于原位生成 Pd 納米顆粒/簇,以實現胺的化學酶動態動力學分辨率 (DKR)。觀察到 Pd 納米顆粒的不同尺寸依賴性活性。實驗和模擬表明,Pd 氧化態的工程化對混合催化劑中 Pd 的活性起著重要作用。


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