▲第一作者：Shaohua Zhang (张少华), Yishan Zhang (张旖珊)
通讯作者：Jiafu Shi (石家福)，Zhongyi Jiang (姜忠义)论文DOI：10.1021/acscatal.0c04462受自然界光合作用过程中电子传递和酶保护协调机制启发，天津大学姜忠义教授、石家福副教授团队设计构建了包埋金属氢化物的介孔氧化钛涂层，用于协调酶-光偶联催化过程中的电子传递和酶保护。
推动绿色低碳发展，实现环境保护与经济发展的深度融合，是解决生态与发展问题的重要途径。绿色生物制造技术以“绿色发展”理念为指导，有望促进新型生物制造产业链和低碳经济新格局的构建。酶和微生物等生物催化剂的创制是绿色生物制造技术的核心。经过亿万年的自然进化，酶可在温和条件下实现底物分子的高效、高选择性转化，支撑生命体内部能量和物质的转化。这为实现生物质/二氧化碳为基础原材料的绿色制造过程提供了重要的催化剂。然而，具有高选择性的酶催化剂通常只适用于有限的底物和反应类型，且部分酶催化反应依赖昂贵的辅酶参与反应提供能量。将化学合成催化剂与酶催化剂结合，设计原子经济性高、反应匹配度好的化学-酶组合合成途径，有望弥补酶催化的缺点，实现目标化学品绿色、高效生产路径的设计和构建。
光催化反应以丰富的太阳能为能源，可实现分子室温条件下的高效转化。因其温和、绿色的特性，光催化反应在过去数十年间得到了快速发展，目前已可催化碳-碳键偶联、碳-氢键活化、环加成等重要反应。将光催化剂与酶耦合，构建酶-光偶联催化系统，有望实现室温下化学键的选择性活化和化学品的精准合成。同时，利用光驱动的特性，可在空间和时间尺度对反应进行控制。当前，酶-光偶联催化系统面临的主要问题包括：针对上述关键问题，本研究以氮化碳为光催化剂、醇脱氢酶为酶催化剂，构建酶-光偶联催化系统。该系统以有机金属配合物和辅酶NADH/NAD+连接光催化剂和酶催化剂，属非常典型的酶-化学偶联系统。系统内相容性和电子传递问题突出，光照条件下，金属有机配合物可与酶分子表面的氨基酸残基结合，导致酶分子快速团聚失活。受自然界类囊体膜结构的启发，本研究结合超分子组装和仿生矿化方法，将金属有机配合物包埋于氮化碳表面的氧化钛涂层中。氧化钛涂层将酶分子与金属有机配合物和氮化碳表面光生空穴隔离，避免了酶分子的失活；氧化钛涂层促进了氮化碳表面光生电子到金属有机配合物的传递，形成的金属氢化物(metal-hydride)实现了NADH的高效再生，进一步激活酶催化反应。本研究揭示了光照条件下酶分子与化学催化剂的复杂相互作用，利用矿物涂层协调了酶催化和光催化反应。期望通过本研究的开展，指导新型化学-酶偶联催化技术的创建与应用。设计构建了包埋金属氢化物的氧化钛涂层，协调酶-光偶联催化过程中电子传递和酶保护。▲图1. 自然界光合作用和酶-光偶联催化系统中电子传递和酶保护的协调机制
▲图3. 酶失活机制，化学包埋金属氢化物的氧化钛涂层对酶的保护机制
▲图4. 光催化剂电子传递路径揭示，光催化NADH再生性能
1）揭示了光照条件下金属有机配合物和酶分子间的相互作用及酶分子失活机理；
2）设计构建了包埋金属氢化物的氧化钛涂层，协调酶-光偶联催化过程中电子传递和酶保护。期望通过本研究，为化学-酶耦合催化系统的构建，提供一些指导和借鉴。S. Zhang+, Y. Zhang+, Y. Chen, D. Yang, S. Li, Y. Wu, Y. Sun, Y. Cheng, J. Shi*, Z. Jiang*. Metal Hydride-Embedded Titania Coating to Coordinate Electron Transfer and Enzyme Protection in Photo-enzymatic Catalysis. ACS Catal. 2021, 11, 476-483.
姜忠义，天津大学化工学院教授，主要从事仿生与生物启发下的膜和膜过程、酶催化、光催化等研究。1994年于天津大学取得博士学位并就职于天津大学。1997年和 2009年分别在美国明尼苏达大学和加州理工学院进行访问交流。国家杰出青年科学基金获得者，国家万人计划科技创新领军人才，新世纪百千万人才国家级人选，享受政府特殊津贴人员，英国皇家化学会会士（Fellow of RSC）。科技部重点领域创新团队负责人，天津化学化工协同创新中心团队负责人。
在Nature Communications、Chemical Society Reviews、Energy & Environmental Science、Advanced Materials、Advanced Functional Materials、Journal of the American Chemical Society、Angewandte Chemie International Edition、ACS Nano、ACS Catalysis 等期刊发表 SCI 论文 600余篇，总引用次数超过 22000 次，H 因子79。承担国家重点研发计划项目、863 重大项目课题、国家自然科学基金重大项目课题、国家自然科学基金重点项目等项目多项。获省部级科技奖一等奖4项。现任Journal of Membrane Science、Separation and Purification Technology等期刊编委。连续入选中国高被引学者（化学工程）榜单，并入选全球高被引学者（化学工程）榜单。石家福，天津大学环境科学与工程学院副教授，主要从事酶-光偶联催化过程、碳一生物转化等研究。2013 年于天津大学取得博士学位并就职于天津大学。2016 年在美国加州大学伯克利分校进行访问交流。美国化学会I&EC Research 2019有影响力研究学者（全球30人）、天津市青年科技优秀人才、天津市优秀博士学位论文获得者，天津大学北洋青年学者。在Chem、ACS Catalysis（8篇）、Chemical Society Reviews（3篇）、Advanced Functional Materials、Joule、Angewandte Chemie International Edition等期刊等发表 SCI 论文90余篇，总引用次数2800余次，H 因子29。授权发明专利7项。承担国家自然科学基金面上项目、天津市自然科学基金面上项目、委托项目等多项。获天津市自然科学一等奖1项（第二）、中国石油和化学工业联合会二等奖1项（第二）。组织2019年和2020年美国化学工程师协会（AIChE）年会“酶催化与生物催化”分会。
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