天津大学姜忠义/石家福团队：分子穿梭助推高效酶-光偶联催化

▲第一作者：孙艺瀛

通讯作者：石家福，姜忠义

通讯单位：天津大学

论文DOI：10.1021/jacs.1c12790

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受自然界类囊体膜中质体醌穿梭过程启发，天津大学姜忠义/石家福研究团队开发了基于人工类囊体膜的酶-光偶联催化系统，将酶分子和光催化剂分别固定在膜的外表面和内表面。同时，NAD⁺/NADH辅酶分子被限制在膜中，并在酶和光催化剂的活性中心之间快速穿梭，从而提高整体催化效率。

背景介绍

绿色生物制造融合了现代生物技术和化工技术等核心技术实施可持续、高质量先进制造，高度契合了绿色低碳发展理念与“碳中和、碳达峰”目标。以太阳能为驱动能源的绿色生物制造系统具有能量来源清洁、反应过程绿色、系统可设计性强等显著优势。其中，较为典型的一类则是酶-光偶联催化系统（Enzyme-Photo-coupled Catalytic System, EPCS）。酶-光偶联催化系统将天然酶与光催化剂结合实现太阳能到化学能源的转化，已成为实现生物质、二氧化碳等可再生碳资源高效催化转化的平台技术。然而，如何提升酶-光偶联催化系统的整体效率仍面临着来自于科学与技术两方面的严峻挑战。

一般来说，酶-光偶联催化系统由酶、光催化剂、辅酶分子、反应物和产物等众多元素组成，可分为三个模块：辅酶分子再生模块、辅酶分子利用模块和辅酶分子穿梭模块。这三个模块共同决定着酶-光偶联催化系统的整体效率。近年来，通过合理设计/筛选光催化剂和酶分子来提高反应速率，强化辅酶分子再生模块和辅酶分子利用模块的相关研究已取得了较大进展（Research, 2021, 2021, 8175709; ACS Catalysis, 2021, 11, 9210; 2021, 11, 476; 2020, 10, 9664; 2020, 10, 4967; 2020, 10, 2894; 2019, 9, 11492; 2019, 9, 3913; 2018, 8, 5664）。然而，负责辅酶分子再生模块与辅酶分子利用模块之间的质量和能量交换的辅酶分子穿梭模块，至今仍鲜有报道。辅酶分子穿梭模块的核心是将较慢的传质过程（发生在ns~ms时间尺度）和较快的反应过程（发生在ps~ns时间尺度）匹配起来。这要求系统要在非常小的时间尺度上进行精密的协调优化。

本文亮点

我们开发了一种基于人工类囊体膜 (TMC) 的酶-光偶联催化系统，以增强辅酶分子穿梭模块实现高效地酶-光偶联催化。人工类囊体膜中的辅酶分子穿梭过程类似于天然类囊体膜中的质体醌 (PQ) 穿梭过程。质体醌穿梭过程是光系统II (PSII) 处的还原质体醌快速向前移动到 Cyt b6/f 复合物以传递电子和质子，之后再回到 PSII 以开始下一个循环。质体醌的快速穿梭归因于超高的质体醌浓度（天然类囊体膜中的质体醌浓度超过了理论上电子转移所需量的10倍）。在我们的人工类囊体膜中，酶分子和光催化剂分别固定在膜的外表面和内表面。同时，NAD+/NADH辅酶分子被限制在膜中，并在酶和光催化剂的活性中心之间快速穿梭，从而提高整体催化效率。将TMC集成系统应用于酶-光偶联催化还原丙醛过程， NAD+/NADH辅酶分子的表观和本征辅酶穿梭次数较非集成系统提升约8倍和12倍，丙醛转化率较非集成系统提升约 6 倍，转化频率 (TOF) 高达 38000 ± 365 h^-1，较当前报道系统提高了一个数量级。

图文解析

▲Figure 1. a) SEM image and b) TEM image of TMC*. c) TEM image of the inner surface of TMC*. Elemental distribution of d) Ti, e) Cd, f) Rh and g) a merged image of Cd/Rh/Ti in TMC*. h) CLSM image of FITC labelled-TMC (excitation wavelength: 488 nm; emission wavelength: 492-634 nm). i) FITR spectra, j) XPS survey spectra and (k) S 2p XPS high-resolution spectra of TMC and TMC*. Note: TMC referred to the EPCS that CdS QDs and Rh* were co-deposited in the inner surface while ADH was immobilized on the outer surface of p-TiO₂ membrane; TMC* just referred to structure that CdS QDs and Rh* were co-deposited in the inner surface of p-TiO₂ membrane; FITC labelled-TMC referred to the EPCS that CdS QDs and Rh* were co-deposited in the inner surface while FITC-labelled ADH was immobilized on the outer surface of p-TiO₂ membrane.

▲Figure 2. a) Schematic illustration of the enzyme-photo-coupled catalyzed propionaldehyde conversion enabled by TMC. b) Propionaldehyde conversion with the reaction time of TMC*, free ADH, TMC* with free ADH and TMC with different enzyme/photocatalyst active center distance (enzyme-photo-coupled catalytic reaction condition: 1.5 g L^–1 catalyst; 1 mmol L^-1 NAD⁺; 70 mmol L^-1 propionaldehyde; pH 7.0, 100/400 mmol L^-1 PBS/TEOA buffer; 420 ± 5 nm visible light). Note: The enzyme/photocatalyst active center distance in TMC was set as 121, 190, 257 and 337 nm. The STC and TOF were calculated by the propionaldehyde conversion after 30 min reaction. c) Initial reaction rate of TMC* with free ADH and TMC with different enzyme/photocatalyst active center distance (calculated based on the propionaldehyde conversion during 0-10 min reaction). d) Propionaldehyde conversion with the reaction time of TMC with different enzyme/photocatalyst mass ratio. Note: The mass ratio of enzyme/photocatalyst in TMC was set as 10/1, 5/1, 1/1 and 0.2/1.

▲Figure 3. a) The pore size distribution of TMC* and TMC. b) ASN of TMC* with free ADH and TMC with different enzyme/photocatalyst active center distance. c) The concentration of NAD⁺, NADH as well as the sum of NAD⁺ and NADH of TMC* with free ADH and TMC with different enzyme/photocatalyst active center distance. d) CLSM image of TMC during the enzyme-photo-coupled catalytic reaction with 1 mmol L^-1 NAD⁺ at the reaction time of 4 min (excitation wavelength: 409 nm; emission wavelength: 500-550 nm). Inset: Enlargement CLSM image and fluorescence intensity curve of a single TMC. e) ISN of TMC* with free ADH and TMC with different enzyme/photocatalyst active center distance. Note: The enzyme/photocatalyst active center distance in TMC was set as 121, 190, 257 and 337 nm.

▲Figure 4. a) Zeta potential of p-TiO₂, TiO₂, protamine, NAD⁺ and NADH. b) NAD⁺release ratio of p-TiO₂ and TiO₂_.c) The molecule structure and charge distribution of NAD⁺. d) Schematic illustration of NAD⁺ adsorption and transfer process in the pore wall of p-TiO₂ and TiO₂_.

总结与展望

我们构建了一个基于人工类囊体膜的酶-光偶联催化系统，通过强化NAD⁺/NADH 辅酶分子在酶和光催化剂活性中心之间的穿梭过程来提高酶-光偶联催化效率。此外，我们提出了表观辅酶穿梭次数(ASN)和本征辅酶穿梭次数(ISN)两个描述符来定量描述 NAD⁺/NADH 穿梭过程和评估酶-光偶联催化系统的整体效率。人工类囊体膜的表观和本征辅酶穿梭次数可以达到 17.1 和 46.5，是非集成酶-光偶联催化系统的 8倍和12倍。将人工类囊体膜集成系统应用于酶-光偶联催化还原丙醛过程，丙醛转化率较非集成系统提升约 6 倍，太阳能转化效率达到 0.69 ± 0.12%，转化频率 (TOF) 高达 38000 ± 365 h^-1，是目前文献报导的最高值。

我们的研究为过程强化提供了一种新策略，即通过调节辅酶分子的穿梭过程实现反应过程和分子扩散过程间的协调优化，从而提高酶-光偶联系统或其他级联系统整体催化效率。本研究同时为介科学思想的可持续发展提供了新素材和新途径。

参考文献

Thylakoid Membrane-inspired Capsules with Fortified Cofactor Shuttling for Enzyme-Photo-coupled Catalysis. JACS, 2022,

DOI:10.1021/jacs.1c12790.

作者介绍

石家福，天津大学环境科学与工程学院副教授，美国加州大学伯克利分校访问学者。国家优秀青年基金获得者，国家重点研发计划青年项目首席科学家。天津市青年科技优秀人才，天津大学北洋青年学者。美国化学会I&ECR有影响力研究学者，ChemBioTalents2022获得者，天津市优秀博士学位论文获得者。科技部重点领域创新团队骨干成员。长期从事酶催化生物制造过程强化研究。负责承担了国家重点研发计划青年项目、国家优秀青年科学基金、国家基金面上/青年项目、国家合成生物技术创新中心委托项目等科研项目。在J. Am. Chem. Soc.、 Chemical Society Reviews（4篇）、ACS Catalysis（8篇）、Chem等期刊发表学术论文100余篇。H因子32。论文被SCI他引3600余次。授权中国发明专利10项。2项成果入选美国化学会ACS Catalysis Blurs the Lines Between Catalysis Subdisciplines（全球共25篇）。研究成果得到了ACS Publication、腾讯网等媒体报道。SusMat、Chemical Synthesis、食品研究与开发等期刊青年编委。入选2021年全球顶尖前10万科学家榜单。

姜忠义，天津大学化工学院教授。教育部长江学者，国家杰出青年基金获得者，国家“万人计划”科技创新领军人才，英国皇家化学会会士。科技部重点领域创新团队负责人，中国石化联合会创新团队负责人。国家重点研发计划项目首席科学家。长期从事膜和膜过程、多酶催化、酶-光偶联人工光合等研究。负责承担了国家重点研发计划项目、国家863重大项目课题、国家基金重点项目、国家自然科学基金重大项目课题、中石油、中石化、中海油委托项目等科研项目。发表SCI论文600余篇，论文被SCI引用28000余次，H因子87。作为第一完成人获省部级科技奖一等奖四项。任Advanced Membranes副主编，Journal of Membrane Science、Research、Green Chemical Engineering等期刊编委。入选2021年全球顶尖前10万科学家榜单（暂居“化学工程与技术“学科国内第一、全球第四）。连续入选中国高被引学者（化学工程）榜单，全球高被引学者（化学工程）榜单。

原文链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.1c12790