通过从头方法合成的杂化酶催化剂用于扩大生物催化

工业酶催化的两大挑战是酶催化的化学反应类型有限，以及工业催化中酶在苛刻条件下的不稳定性。迫切需要将酶催化扩展到更大的底物范围和更多种类的化学反应，以及调整酶分子周围的微环境以实现高酶性能。

近日，由清华大学葛俊教授领导的研究小组回顾了他们使用 de novo 方法合成可以解决这两个挑战的杂化酶催化剂的工作，并讨论了结构 - 功能关系，以揭示设计杂化的原则酶催化剂。成果发表在《催化学报》上。

2012年，他们首次报道了一种共沉淀法制备酶-无机-晶体复合材料。共沉淀法通常用于制备具有各种无机晶体(包括 MOF)的杂化酶催化剂。2014 年，他们首次提出了一种直接合成蛋白质嵌入 MOF 的共沉淀策略。合成酶-MOF 复合材料的共沉淀策略广泛应用于不同类型的 MOF、酶、蛋白质、DNA、siRNA、抗体甚至细胞。讨论了MOFs在密闭环境中提高酶活性和稳定性的机制。除此之外，他们构建了多酶-MOF 复合材料以增强受限支架中的级反应，并开发了一种粗粒度、基于粒子的模型来了解活性增强的起源。

当酶底物具有相对较高的分子量时，具有有限孔径的 MOF 中酶的表观活性通常会受到损害。通过在 MOF 基质中引入缺陷以产生更大的孔，可以减轻扩散限制。因此，他们开发了在共沉淀过程中将缺陷引入 MOF 的方法。调整 MOF 前体的浓度，可以合成有缺陷的甚至无定形 MOF。这些缺陷在复合材料中产生了中孔，促进了底物与封装酶的接触并提高了表观酶活性。对缺陷产生的机制进行了彻底的研究和理解。

此外，代替酶包封，小的无机晶体可以在酶表面的密闭环境中原位生长，以结合酶催化和化学催化。他们展示了如何构建酶-金属杂化催化剂以有效地结合酶催化和金属簇催化。单一脂肪酶-聚合物偶物作为受限纳米反应器用于原位生成 Pd 纳米颗粒/簇，以实现胺的化学酶动态动力学分辨率 (DKR)。观察到 Pd 纳米颗粒的不同尺寸依赖性活性。实验和模拟表明，Pd 氧化态的工程化对混合催化剂中 Pd 的活性起着重要作用. 这种构建酶和金属催化活性之间具有优异相容性的酶-金属杂化催化剂的策略在化学工业中具有许多潜在的应用。

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