综述：物理场与化学策略拓展生物催化反应边界助力绿色制造

本综述系统阐述了通过物理场（机械力、温度、光、电、超声）与化学策略（金属催化、有机小分子催化）协同生物催化，突破天然酶反应局限性的前沿进展。重点介绍了级联反应中一锅法、顺序催化和协同反应等创新模式，为拓展酶的非天然功能、实现高附加值化学品（如药物、材料）的绿色合成提供了多元化技术路径。

　　

物理方法在生物催化中的应用

物理场干预为生物催化反应系统的设计提供了创新工具。机械力（力场）能够增强底物可及性，通过调控反应界面性质优化传质效率。温度（热场）作为基础物理参数，不仅影响酶构象动力学，还可诱导底物分子活化能垒的改变。光场调控技术（特别是可见光催化）通过光敏剂产生高活性自由基中间体，与酶催化位点形成时空协同。电场介入的电催化生物转化体系，实现了电子转移过程与酶促反应的精准耦合。超声波（声场）的空化效应可微调反应微环境，显著提升多相催化体系的传质效率。这些物理场技术通过调控反应路径、中间体稳定性及立体选择性，成功应用于C–C、C–S、C–P和C–O等关键化学键的构建。

化学方法在生物催化中的应用

化学催化与生物催化的融合开创了级联反应新范式。金属催化（如过渡金属配合物）与酶催化的一锅法策略中，金属催化剂与酶分步或同步介入，通过中间体原位传递实现反应流程精简。小分子有机催化（如手性胺催化剂）与酶协同体系，利用其独特的活化模式（如烯胺/亚胺离子机制）与酶的手性识别能力互补。多相催化体系通过固载化金属纳米粒子与固定化酶的空间分隔，解决了催化剂兼容性难题。值得注意的是，酸碱催化与酶反应的组合策略，通过微环境pH值精密调控，实现了对酸敏感性底物的高效转化。这些化学方法显著拓展了生物催化剂对非天然底物的适应性，特别是在药物中间体合成中展现出巨大潜力。

物理与化学融合方法在生物催化中的应用

光氧化还原-金属催化与生物催化的三元协同体系，实现了自由基介导的不对称合成。例如，光激发产生的烷基自由基可被金属催化剂捕获后转化为酶兼容的中间体，进而通过酶的高立体选择性完成手性中心构建。电化学-酶耦合系统通过电极调控氧化还原状态，解决了辅酶再生、底物预活化等关键问题。超声辅助的多相催化-酶组合技术，利用声空化效应同步强化纳米催化剂与酶的界面接触效率。这些融合策略通过物理场对化学反应的精准启动与生物催化剂的高选择性转化相结合，为复杂分子（如手性药物、功能性材料单体）的绿色合成提供了多维度解决方案。

选择指导框架与可视化模型

为辅助研究人员快速选择最优策略，本文提出了基于三维度（底物性质、酶类型、应用目标）的决策框架。该模型首先根据主要应用目标进行分支引导：对于精细化学品或药物合成等高选择性需求场景，优先推荐光/电催化与金属酶协同体系；而对大规模工业生产等高通量场景，则侧重机械力/超声辅助的多相催化-酶组合技术。框架同时整合了底物特性（水溶性、热稳定性、自由基敏感性）与酶类别（氧化还原酶、水解酶、转移酶）的匹配规则，通过可视化流程图呈现最优技术路径的组合逻辑。

挑战与展望

尽管物理-化学-生物协同催化已取得显著进展，其规模化应用仍面临多重挑战。不同催化模式的反应条件兼容性（如有机溶剂对酶活性的抑制、金属离子对酶结构的扰动）需要更精细的调控策略。多催化剂体系的时空分隔技术（如微反应器设计、智能响应型载体开发）是提升反应效率的关键。未来研究应聚焦于人工智能指导的酶-催化剂组合预测、多尺度反应器工程优化，以及面向工业放大的过程集成创新。通过跨学科技术融合，这类协同催化体系有望在药物绿色合成、生物基材料制造等领域发挥更重要作用。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文报道结果的已知竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到国家自然科学基金（项目编号22301129、22175090）和国家自然科学基金重点项目（项目编号22437003）的资助。