論文DOI：10.1021/acscatal.1c01555 受葉綠體中基粒的堆疊結(jié)構(gòu)和光合功能啟發(fā)，天津大學(xué)姜忠義教授、石家福副教授團隊設(shè)計制備了具堆疊管狀結(jié)構(gòu)的氮化碳@氯過氧化物（st-PCN*@CPO）催化劑，構(gòu)建了類基粒結(jié)構(gòu)的酶-光偶聯(lián)催化系統(tǒng)，揭示了堆疊結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)中間產(chǎn)物產(chǎn)生與利用的過程及機制，強化了酶-光偶聯(lián)催化一氯二甲酮轉(zhuǎn)化為二氯二甲酮的過程。以工業(yè)生物技術(shù)為支撐的生物制造因其具有更高效、更綠色、可持續(xù)的特征逐漸顯示出其獨特優(yōu)勢，已成為當(dāng)前產(chǎn)業(yè)變革升級的主要方向之一。加快培育和發(fā)展生物制造產(chǎn)業(yè)，是實現(xiàn)經(jīng)濟和環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展的迫切需求。我國是世界第一制造大國，踐行“綠色發(fā)展”理念，生物制造是重要的突破口。“綠色生物制造”是資源與環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的最好路徑之一，也是我國未來最具發(fā)展前景的領(lǐng)域之一。酶-光偶聯(lián)催化過程結(jié)合了半導(dǎo)體的光吸收能力和酶分子優(yōu)越的高效性和特異性等優(yōu)勢，可實現(xiàn)工業(yè)化學(xué)品、醫(yī)藥化學(xué)品、營養(yǎng)化學(xué)品等的綠色合成與轉(zhuǎn)化，是綠色生物制造領(lǐng)域的重要方向之一。目前，酶-光偶聯(lián)催化已被應(yīng)用于多種化學(xué)鍵如C=O、C-H、C-C和C=C的高效精準(zhǔn)活化。酶-光偶聯(lián)催化系統(tǒng)由光催化模塊和酶催化模塊組成，含能中間產(chǎn)物如NAD+/NADH、NADP+/NADPH、FAD2+/FADH2、O2/H2O2通過光催化反應(yīng)再生，隨后被酶分子利用。因此，中間產(chǎn)物的高效再生和高效利用是創(chuàng)制理想酶-光偶聯(lián)催化系統(tǒng)的關(guān)鍵。針對上述關(guān)鍵問題，本研究以氮化碳為光催化劑和載體、氯過氧化物酶為酶催化劑，構(gòu)建集成型酶-光偶聯(lián)催化系統(tǒng)，H2O2作為中間體連接光催化劑和酶催化劑。受葉綠體基粒的堆疊結(jié)構(gòu)和光合功能啟發(fā)，利用水熱法和多步高溫煅燒法制備了修飾芳族二酰亞胺的堆疊管狀氮化碳，氯過氧化物酶通過物理吸附固定在光催化劑表面。堆疊結(jié)構(gòu)較高的比表面積有效延長了光的停留時間，而具有二維結(jié)構(gòu)的堆疊單元和親電成分確保電子定向轉(zhuǎn)移，削弱電子-空穴的復(fù)合，從而實現(xiàn)了H2O2的高效再生。此外，光催化劑為酶分子提供大量吸附位點，極大地縮短了H2O2從光催化劑到酶的擴散距離，進一步提高了酶穩(wěn)定性，實現(xiàn)了H2O2的高效利用。期望通過本研究的開展，指導(dǎo)級聯(lián)催化體系的結(jié)構(gòu)設(shè)計。本研究設(shè)計制備了堆疊管狀的氮化碳 (st-PCN/BDA, st-PCN*) 作為光催化劑和氯過氧化物酶 (CPO) 的載體，構(gòu)建了集成型酶-光偶聯(lián)催化系統(tǒng)st-PCN*@CPO。其中，（1）堆疊管狀結(jié)構(gòu)有效延長了光的停留時間，且二維堆疊單元和親電成分保證了電子的定向轉(zhuǎn)移；（2）光催化劑為酶提供大量吸附位點，從而縮短中間產(chǎn)物從光催化劑到酶的擴散距離。▲Figure 1. Artificial photoenzyme-coupled catalysis enabled by st-PCN*@CPO for the cascade chlorination reaction (ii) inspired by natural photoenzyme-coupled catalysis enabled by the granum for cascade NADPH synthesis (i) (similarities between (i) and (ii): st-PCN* was used to mimic the thylakoid membrane, CPO was used to mimic FNR, and O2 + H2O and H2O2 were used to mimic Fd and Fdred, respectively).
▲Figure 2. (a) Schematic preparation of st-PCN*. (b-d) Transmission electron microscopy (TEM) and scanning electron microscopy (SEM) images of the CM complex, t-PCN, and st-PCN*. (e) Fourier transform infrared (FTIR) spectra of b-PCN, t-PCN, b-PCN*, and st-PCN*. (f) X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) survey and corresponding (g) C 1s XPS spectra of b-PCN, t-PCN, b-PCN*, and st-PCN*.
▲Figure 3. (a) UV/vis diffuse reflectance spectra, (b) corresponding Tauc plots, and (c) XPS valence spectra of b-PCN, t-PCN, b-PCN*, and st-PCN*. (d) Electronic band structures of t-PCN and st-PCN*. (e) Steady-state photoluminescence (PL) spectra, (f) EIS Nyquist plots, and (g) photocurrent density under simulated sunlight (Xe lamp, AM 1.5G) in a 0.5 mol L–1 Na2SO4 solution of b-PCN, t-PCN, b-PCN*, and st-PCN*.
▲Figure 4. (a) Schematic illustration of photocatalytic H2O2 production. (b) Reaction mechanism of st-PCN*-catalyzed H2O2 production. (c) H2O2 production and (d) H2O2 evolution rates of b-PCN, t-PCN, b-PCN*, and st-PCN*. Reaction conditions: photocatalyst = 1 mg mL–1, deionized water (30 mL, pH = 7.0), simulated sunlight irradiation (Xe lamp, AM 1.5G, 350 mW cm–2), oxygen atmosphere. Error bars represent the standard deviation based on three experiments (n = 3).
▲Figure 5. (a) Immobilization efficiency, (b) loading capacity, and (c) leakage ratio of b-PCN@CPO, t-PCN@CPO, b-PCN*@CPO, and st-PCN*@CPO. (d) Changes of the MCD conversion ratios over reaction time catalyzed by b-PCN@CPO, t-PCN@CPO, b-PCN*@CPO, and st-PCN*@CPO. Reaction conditions of (d): 15 mg of the immobilized enzyme, 15 mg of the photocatalyst/5 μL of CPO, [KCl] = 20 mM, [MCD] = 1 mM, [H2O2] = 1 mM, pH = 3.0 (PBS buffer, 50 mM), dark condition. Error bars represent the standard deviation based on three experiments (n = 3).
▲Figure 6. Relative secondary structure content of CPO after incubation in PBS buffer (pH = 3.0, 50 mM) containing b-PCN, t-PCN, b-PCN*, and st-PCN* under a (a) dark condition and (b) simulated sunlight irradiation (Xe lamp, AM 1.5G, 350 mW cm–2) for 1 h, respectively.
▲Figure 7. (a) Schematic photoenzyme-coupled catalytic conversion of MCD enabled by st-PCN*@CPO. (b) Change of the MCD conversion ratios catalyzed by st-PCN*@CPO (light), st-PCN*@CPO (dark), and st-PCN*@CPO (additional 1 mM H2O2, dark). (c) Change of the MCD conversion ratios catalyzed by b-PCN@CPO, t-PCN@CPO, b-PCN*@CPO, and st-PCN*@CPO. (d) Change of the MCD conversion ratios catalyzed by st-PCN*1/0.3@CPO, st-PCN*1/0.7@CPO, and st-PCN*1/1.2@CPO. (e) Change of the MCD conversion ratios catalyzed by st-PCN*@BSA+CPO and st-PCN*@CPO. Reaction conditions: 15 mg of immobilized enzyme, 15 mg of photocatalyst/15 μL of CPO, [KCl] = 20 mM, [MCD] = 1 mM, pH = 3.0 (PBS buffer, 50 mM), oxygen atmosphere. Error bars represent the standard deviation based on three experiments (n = 3).
受葉綠體基粒的堆疊結(jié)構(gòu)和光合功能啟發(fā)，以堆疊管狀的氮化碳(st-PCN*)作為光催化劑和氯過氧化物酶(CPO)的載體，利用物理吸附法，構(gòu)建了集成型酶-光偶聯(lián)催化系統(tǒng)st-PCN*@CPO。1）揭示了堆疊結(jié)構(gòu)對于光吸收和電子傳遞行為的影響，發(fā)現(xiàn)堆疊結(jié)構(gòu)有效地促進光吸收，保證電子快速地定向傳遞。2）考察了堆疊管狀光催化劑和過氧化物酶處于集成和游離狀態(tài)時，兩者之間的相互作用，揭示了中間產(chǎn)物的擴散距離對于酶-光偶聯(lián)性能的影響機制。期望通過本研究，為級聯(lián)催化系統(tǒng)，如多酶或化學(xué)-酶系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供啟發(fā)和指導(dǎo)。姜忠義，天津大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師，國家杰出青年科學(xué)基金獲得者，長江學(xué)者講座教授，國家“萬人計劃”科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才，國家重點研發(fā)計劃項目首席科學(xué)家，英國皇家化學(xué)會會士（FRSC）。研究方向為仿生與生物啟發(fā)膜和膜過程、酶催化和光催化。團隊在Nat. Commun.、Chem. Soc. Rev.、JACS、Energy Environ. Sci.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.、ACS Catal.、J. Membr. Sci.等期刊發(fā)表SCI論文600余篇，SCI他引22000余次(h index=84)。連續(xù)入選中國高被引學(xué)者（化學(xué)工程）榜單，并入選全球高被引學(xué)者（化學(xué)工程）榜單。作為第一完成人，獲省部級科學(xué)技術(shù)一等獎4項。石家福，天津大學(xué)副教授，博士生導(dǎo)師，國家重點研發(fā)計劃青年項目首席科學(xué)家，天津市青年科技優(yōu)秀人才，天津市優(yōu)秀博士學(xué)位論文獲得者。研究方向為酶-光偶聯(lián)催化過程。2013年于天津大學(xué)取得博士學(xué)位，師從姜忠義教授。畢業(yè)后就職于天津大學(xué)。2016-2017年在美國加州大學(xué)伯克利分校進行訪問交流。在 Chem. Soc. Rev.、Chem、ACS Catal.、Adv. Funct. Mater.、Joule、Angew. Chem. Inter. Ed. 等期刊等發(fā)表SCI論文100余篇，SCI他引2900余次(h index=31)。作為第二完成人，獲天津市自然科學(xué)獎一等獎1項、中國石油和化學(xué)工業(yè)聯(lián)合會科技進步獎二等獎1項。https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acscatal.1c01555
