清華新聞網(wǎng)4月23日電 近日，清華大學(xué)化工系戈鈞教授課題組報(bào)道了金屬原子改造酶催化劑的新方法，建立了酶活性口袋穩(wěn)定金屬催化反應(yīng)過(guò)渡態(tài)提高金屬催化活性和選擇性的新理論，實(shí)現(xiàn)了烷基-烷基偶聯(lián)反應(yīng)在溫和條件下的高效協(xié)同催化，探索了一種酶-金屬協(xié)同催化新模式。
將金屬單原子結(jié)合于酶分子上構(gòu)建酶-金屬單原子復(fù)合催化劑，理論上可以實(shí)現(xiàn)高選擇性的酶催化與高效率的單原子催化在溫和條件下的高效協(xié)同，有望開(kāi)發(fā)出更加高效、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)的催化過(guò)程，實(shí)現(xiàn)單一形式催化難以完成的目標(biāo)。然而，利用柔性蛋白分子作為載體制備單原子分散金屬催化劑存在蛋白分子表面氨基酸殘基難以與金屬單原子穩(wěn)定結(jié)合的瓶頸問(wèn)題。在這項(xiàng)工作中，研究者以酶-高分子結(jié)合物為模板，通過(guò)光化學(xué)法在高分子鏈上產(chǎn)生碳自由基，利用碳自由基和酶上的氨基酸殘基與金屬原子的共同作用，實(shí)現(xiàn)了酶與金屬單原子的穩(wěn)定結(jié)合。利用擴(kuò)展X射線(xiàn)吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)、納升電噴霧電離質(zhì)譜、分子動(dòng)力學(xué)模擬、密度泛函理論計(jì)算等手段，對(duì)金屬單原子與酶-高分子的結(jié)合位點(diǎn)進(jìn)行了深入分析。構(gòu)建的脂肪酶-鈀單原子復(fù)合催化劑在烷基-烷基交叉偶聯(lián)反應(yīng)中具有高活性，該催化效率與傳統(tǒng)均相催化劑相比提高了300倍。
課題組與天津大學(xué)化工學(xué)院張麟教授課題組合作，通過(guò)分子動(dòng)力學(xué)模擬，揭示了脂肪酶活性位點(diǎn)與鈀單原子的協(xié)同催化過(guò)程。脂肪酶活性口袋與反應(yīng)物的烷基鏈結(jié)合，穩(wěn)定了鈀單原子催化烷基-烷基交叉偶聯(lián)反應(yīng)的過(guò)渡態(tài)，降低了反應(yīng)活化能。同時(shí)，利用脂肪酶活性口袋對(duì)烷基鏈的選擇性，實(shí)現(xiàn)了鈀單原子對(duì)烷基-烷基交叉偶聯(lián)反應(yīng)底物的選擇性催化。
圖.(a)酶-金屬單原子復(fù)合納米催化劑的制備方法；(b)脂肪酶-鈀單原子復(fù)合催化劑在烷基-烷基交叉偶聯(lián)中的催化效率；(c)復(fù)合催化劑與底物結(jié)合的分子動(dòng)力學(xué)模擬計(jì)算
這項(xiàng)工作在蛋白-高分子結(jié)合物限域空間中，通過(guò)光化學(xué)法可控合成了酶-金屬單原子復(fù)合催化劑，揭示了復(fù)合催化劑中酶與金屬單原子協(xié)同催化機(jī)制，探索了酶-金屬單原子復(fù)合催化劑的應(yīng)用，為酶催化劑的化學(xué)改造及其在綠色生物制造中的應(yīng)用提供了新思路。
上述成果以“酶-金屬單原子復(fù)合催化劑協(xié)同催化”(Cooperative catalysis by a single-atom enzyme-metal complex)為題在線(xiàn)發(fā)表于《自然·通訊》（Nature Communications）上，清華大學(xué)化工系博士畢業(yè)生黎曉陽(yáng)（現(xiàn)為南昌大學(xué)教授）和在讀博士生曹宇飛為本文共同第一作者，清華大學(xué)化工系為第一單位。清華大學(xué)化工系戈鈞教授、天津大學(xué)化工學(xué)院張麟教授和復(fù)旦大學(xué)化學(xué)系理查德?杰爾教授為本文共同通訊作者。上述研究工作得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目資助。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41467-022-29900-6
供稿：化工系
編輯：李華山
審核：呂婷
