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蛋白-高分子结合物纳米限域空间可控合成金属亚纳米团簇复合物

科界 2019-06-25

来源:研之成理

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▲第一作者:黎晓阳;曹宇飞;骆凯;通讯作者:戈钧;肖海;Richard N. Zare;

论文DOI:10.1038/s41929-019-0305-8.

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该论文通过在蛋白-高分子结合物纳米限域空间中可控合成酶-金属亚纳米团簇复合物,揭示了复合催化剂中蛋白、高分子中有机官能团对金属亚纳米颗粒的界面调控机制,探索了酶-金属复合催化剂在手性药物绿色合成中的应用,为酶催化和多相催化耦合及其在绿色生物制造中的应用提供了新思路。

背景介绍

催化是化学工业的基础,为人类社会发展提供了丰富的材料、能源、药品等必须保障和支撑。均相催化、多相催化和酶催化是催化的三种基本形式,有着各自广泛的应用领域和重要价值。三者之间的耦合有望开发出更高效、环保、经济的催化过程,并实现单一形式催化难以完成的目标,为化学工业的可持续发展提供新技术。然而,均相催化、多相催化和酶催化的反应条件往往不匹配,易造成催化剂失活。其中,酶催化剂一般需要在常温、常压、水溶液等温和条件下发挥作用。因此,如何设计酶与均相、多相催化剂的复合催化剂,使其在相对温和条件下同时具备各自较高的催化活性是一个关键的挑战。

近年来的研究表明,金属催化剂存在着尺寸效应。随着金属颗粒尺寸减小,其形貌、电子结构以及金属与载体间的相互作用会发生变化,从而可能导致催化活性的显著提高。在该论文的研究中,作者将超小尺寸的金属亚纳米团簇在温和条件下的高活性与酶催化活性相匹配以提高酶-化学级联反应效率。

在单独以普通蛋白分子为模板合成蛋白-金属复合物的过程中,结合在蛋白表面的金属团簇表面能较高,易形成较大粒径颗粒。因此,直接以蛋白为模板合成的复合物普遍存在着金属颗粒尺寸不可控的缺点,难以实现超小尺寸亚纳米团簇的可控合成。在该论文的研究中,作者利用高分子-蛋白结合物特殊的纳米限域空间结构,将单个金属颗粒原位还原在结合物中,从而实现超小尺寸金属亚纳米团簇的可控制备,构建了酶-金属亚纳米团簇复合物。

本文亮点

该论文利用蛋白-高分子结合物实现了酶-金属亚纳米团簇复合物的可控合成,并通过扩展X射线吸收精细结构分析以及密度泛函(DFT)理论计算阐释了钯金属团簇催化外消旋化反应中尺寸效应的机理。该论文提出了常温下高催化活性的酶-金属复合催化剂的构建方法及其在手性药物中间体合成中的应用。

图文解析

在这项工作中,作者利用温敏高分子 Pluronic 修饰酶分子制备了酶-高分子结合物,并利用其限域结构原位还原合成了金属亚纳米颗粒,从而构建了酶-金属亚纳米团簇复合物。利用基于微液滴反应在线快速消解蛋白的纳升电喷雾质谱、分子动力学模拟等分析手段,作者对酶-高分子结合物限域结构中原位还原金属亚纳米颗粒的过程进行了深入分析,发现酶-高分子结合物中的高分子链缠绕在酶的表面形成了一个具有表面高分子层的纳米反应器,而单个金属颗粒可以在这种具有限域结构的结合物中被原位还原(图1)。通过实现多种酶和金属颗粒的组合,作者证明了该合成方法具有较好的普适性。

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▲图1、Pd / CALB-P 纳米复合材料的制备和表征

通过浓度调控,作者实现了酶-金属复合物中不同尺寸金属颗粒的可控合成。脂肪酶-钯亚纳米团簇复合催化剂(0.8Pd/CALB-Pluronic)很好保持了脂肪酶的活性,同时在钯催化的 (S)-1-苯基乙胺外消旋化中表现出高活性,在酶促反应相对较低的温度(55 oC)下,比商业化钯碳催化剂活性高近 50 倍。作者发现 Pd 纳米颗粒在催化外消旋反应中存在着尺寸效应,其活性随着粒径的减少而增强(图2)。

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▲图2、具有不同尺寸的 Pd NP的Pd / CALB-P 纳米复合物的结构表征及催化性能测试

为了分析其机理,作者利用 X 射线吸收精细结构、X 射线光电子能谱等手段分析了 Pd/CALB-P 中 Pd 的配位环境,发现随着 Pd 颗粒尺寸的减少,Pd-O 配位键增多(图3)。因此,作者构建了如同4-a 所示的部分氧化的 Pd(111) 晶面,通过 DFT 计算了(S)-1-苯乙胺外消旋反应历程中自由能的变化,发现部分氧化的 Pd(111) 表面对苯乙胺具有更低的吸附能且更利于亚胺中间体的形成,使得外消旋反应更容易发生。这阐释了这一催化过程中 Pd 亚纳米团簇尺寸效应的机理。

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▲图3、Pd 的配位分析。

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▲图4、理论计算模型及 (S)-1-苯乙胺外消旋反应历程中自由能的变化。

作者将酶-金属亚纳米团簇复合物应用于(±)-1-苯乙胺、(±)-1-氨基茚满、(±)-1,2,3,4-四氢-1-萘胺等胺类化合物的化学-酶法动态动力学拆分反应,其催化效率分别比商业化的固定化脂肪酶和钯碳催化剂的组合提高 7.6、3.1、5 倍。此外,酶-金属纳米团簇复合物具有温度响应特性,可以多次重复使用。

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▲图5、0.8Pd / CALB-P 纳米复合物在 DKR 反应中的应用

总结与展望

该论文使用单分散的蛋白-高分子结合物作为纳米反应器可控合成了金属亚纳米团簇,其中蛋白-高分子结合物在金属颗粒生长过程中可以有效地抑制金属团簇之间的聚集。该论文发现 Pd-O 配位有助于提高复合物中 Pd 亚纳米团簇的催化活性。Pd 亚纳米团簇的高活性使得金属催化和酶催化在相对低的温度下更好地匹配,从而提高生物-化学级联反应的催化效率。该研究为酶催化和金属多相催化的耦合提供了一种重要的方法。

作者介绍

戈钧,清华大学化学工程系长聘副教授,博士生导师。分别于 2004 年,2009 年在清华大学化学工程系获得本科和博士学位,2009 年至2012 年在斯坦福大学化学系进行博士后研究,2012 年开始在清华大学化学工程系工作。主要从事酶的化学改造及其在生物催化、生物传感以及生物医学等领域的应用研究。研究工作获得国家优青,“长江学者奖励计划”青年学者,北京市杰青,国家重点研发计划青年项目,863 生物医药领域青年科学家专题等资助。获得 MIT Technology Review World 35 Innovators Under 35,“闵恩泽能源化工奖”青年进步奖。

肖海,清华大学化学系副教授,博士生导师。分别于 2006年、2008 年在清华大学化学系获得本科和硕士学位,于 2015 年在加州理工学院获得博士学位。2015 年至 2017 年在加州理工学院先后以博士后和研究科学家身份进行研究工作,2017 年开始在清华大学化学系工作,并获得国家千人计划青年项目的资助。研究领域为理论与计算化学,现在的研究兴趣集中在电化学界面催化的理论模拟和催化剂设计等课题。

文章链接:

https://www.nature.com/articles/s41929-019-0305-8

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