论文DOI：10.1021/acscatal.1c01555 受叶绿体中基粒的堆叠结构和光合功能启发，天津大学姜忠义教授、石家福副教授团队设计制备了具堆叠管状结构的氮化碳@氯过氧化物（st-PCN*@CPO）催化剂，构建了类基粒结构的酶-光偶联催化系统，揭示了堆叠结构协调中间产物产生与利用的过程及机制，强化了酶-光偶联催化一氯二甲酮转化为二氯二甲酮的过程。以工业生物技术为支撑的生物制造因其具有更高效、更绿色、可持续的特征逐渐显示出其独特优势，已成为当前产业变革升级的主要方向之一。加快培育和发展生物制造产业，是实现经济和环境的协调发展的迫切需求。我国是世界第一制造大国，践行“绿色发展”理念，生物制造是重要的突破口。“绿色生物制造”是资源与环境可持续发展的最好路径之一，也是我国未来最具发展前景的领域之一。酶-光偶联催化过程结合了半导体的光吸收能力和酶分子优越的高效性和特异性等优势，可实现工业化学品、医药化学品、营养化学品等的绿色合成与转化，是绿色生物制造领域的重要方向之一。目前，酶-光偶联催化已被应用于多种化学键如C=O、C-H、C-C和C=C的高效精准活化。酶-光偶联催化系统由光催化模块和酶催化模块组成，含能中间产物如NAD+/NADH、NADP+/NADPH、FAD2+/FADH2、O2/H2O2通过光催化反应再生，随后被酶分子利用。因此，中间产物的高效再生和高效利用是创制理想酶-光偶联催化系统的关键。针对上述关键问题，本研究以氮化碳为光催化剂和载体、氯过氧化物酶为酶催化剂，构建集成型酶-光偶联催化系统，H2O2作为中间体连接光催化剂和酶催化剂。受叶绿体基粒的堆叠结构和光合功能启发，利用水热法和多步高温煅烧法制备了修饰芳族二酰亚胺的堆叠管状氮化碳，氯过氧化物酶通过物理吸附固定在光催化剂表面。堆叠结构较高的比表面积有效延长了光的停留时间，而具有二维结构的堆叠单元和亲电成分确保电子定向转移，削弱电子-空穴的复合，从而实现了H2O2的高效再生。此外，光催化剂为酶分子提供大量吸附位点，极大地缩短了H2O2从光催化剂到酶的扩散距离，进一步提高了酶稳定性，实现了H2O2的高效利用。期望通过本研究的开展，指导级联催化体系的结构设计。本研究设计制备了堆叠管状的氮化碳 (st-PCN/BDA, st-PCN*) 作为光催化剂和氯过氧化物酶 (CPO) 的载体，构建了集成型酶-光偶联催化系统st-PCN*@CPO。其中，（1）堆叠管状结构有效延长了光的停留时间，且二维堆叠单元和亲电成分保证了电子的定向转移；（2）光催化剂为酶提供大量吸附位点，从而缩短中间产物从光催化剂到酶的扩散距离。▲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).
受叶绿体基粒的堆叠结构和光合功能启发，以堆叠管状的氮化碳(st-PCN*)作为光催化剂和氯过氧化物酶(CPO)的载体，利用物理吸附法，构建了集成型酶-光偶联催化系统st-PCN*@CPO。1）揭示了堆叠结构对于光吸收和电子传递行为的影响，发现堆叠结构有效地促进光吸收，保证电子快速地定向传递。2）考察了堆叠管状光催化剂和过氧化物酶处于集成和游离状态时，两者之间的相互作用，揭示了中间产物的扩散距离对于酶-光偶联性能的影响机制。期望通过本研究，为级联催化系统，如多酶或化学-酶系统的结构设计提供启发和指导。姜忠义，天津大学教授，博士生导师，国家杰出青年科学基金获得者，长江学者讲座教授，国家“万人计划”科技创新领军人才，国家重点研发计划项目首席科学家，英国皇家化学会会士（FRSC）。研究方向为仿生与生物启发膜和膜过程、酶催化和光催化。团队在Nat. Commun.、Chem. Soc. Rev.、JACS、Energy Environ. Sci.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.、ACS Catal.、J. Membr. Sci.等期刊发表SCI论文600余篇，SCI他引22000余次(h index=84)。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。作为第一完成人，获省部级科学技术一等奖4项。石家福，天津大学副教授，博士生导师，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，天津市优秀博士学位论文获得者。研究方向为酶-光偶联催化过程。2013年于天津大学取得博士学位，师从姜忠义教授。毕业后就职于天津大学。2016-2017年在美国加州大学伯克利分校进行访问交流。在 Chem. Soc. Rev.、Chem、ACS Catal.、Adv. Funct. Mater.、Joule、Angew. Chem. Inter. Ed. 等期刊等发表SCI论文100余篇，SCI他引2900余次(h index=31)。作为第二完成人，获天津市自然科学奖一等奖1项、中国石油和化学工业联合会科技进步奖二等奖1项。https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acscatal.1c01555
