将金属单原子结合于酶分子上构建酶-金属单原子复合催化剂，理论上可以实现高选择性的酶催化与高效率的单原子催化在温和条件下的高效协同，有望开发出更加高效、环保、经济的催化过程，实现单一形式催化难以完成的目标。然而，利用柔性蛋白分子作为载体制备单原子分散金属催化剂存在蛋白分子表面氨基酸残基难以与金属单原子稳定结合的瓶颈问题。在这项工作中，研究者以酶-高分子结合物为模板，通过光化学法在高分子链上产生碳自由基，利用碳自由基和酶上的氨基酸残基与金属原子的共同作用，实现了酶与金属单原子的稳定结合。利用扩展X射线吸收精细结构、纳升电喷雾电离质谱、分子动力学模拟、密度泛函理论计算等手段，对金属单原子与酶-高分子的结合位点进行了深入分析。构建的脂肪酶-钯单原子复合催化剂在烷基-烷基交叉偶联反应中具有高活性，该催化效率与传统均相催化剂相比提高了300倍。
课题组与天津大学化工学院张麟教授课题组合作，通过分子动力学模拟，揭示了脂肪酶活性位点与钯单原子的协同催化过程。脂肪酶活性口袋与反应物的烷基链结合，稳定了钯单原子催化烷基-烷基交叉偶联反应的过渡态，降低了反应活化能。同时，利用脂肪酶活性口袋对烷基链的选择性，实现了钯单原子对烷基-烷基交叉偶联反应底物的选择性催化。
图.(a)酶-金属单原子复合纳米催化剂的制备方法；(b)脂肪酶-钯单原子复合催化剂在烷基-烷基交叉偶联中的催化效率；(c)复合催化剂与底物结合的分子动力学模拟计算
这项工作在蛋白-高分子结合物限域空间中，通过光化学法可控合成了酶-金属单原子复合催化剂，揭示了复合催化剂中酶与金属单原子协同催化机制，探索了酶-金属单原子复合催化剂的应用，为酶催化剂的化学改造及其在绿色生物制造中的应用提供了新思路。
上述成果以“酶-金属单原子复合催化剂协同催化”(Cooperative catalysis by a single-atom enzyme-metal complex)为题在线发表于《自然·通讯》（Nature Communications）上，清华大学化工系博士毕业生黎晓阳（现为南昌大学教授）和在读博士生曹宇飞为本文共同第一作者，清华大学化工系为第一单位。清华大学化工系戈钧教授、天津大学化工学院张麟教授和复旦大学化学系理查德?杰尔教授为本文共同通讯作者。上述研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目资助。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41467-022-29900-6
供稿：化工系
编辑：李华山
审核：吕婷
2022年04月23日 09:30:23
