多催化剂协同调控非酶促化学反应网络实现糖类定向合成的多层子结构机制研究

本研究针对非酶促反应网络(CRN)中多步反应协同控制难题，以甲酸反应(Formose reaction)为模型，通过γ-Al2O3和磷酸盐缓冲液(PB)双催化剂系统，首次揭示了第三种催化物种(P-Al2O3)的协同作用机制，实现了葡萄糖产率10倍提升。该成果发表于《Communications Chemistry》，为人工设计复杂CRN提供了新范式。

　　

在生命起源和合成生物学领域，非酶促化学反应网络(CRN)如何实现类似生物代谢途径的精确调控，一直是重大科学难题。传统甲酸反应(Formose reaction)虽能将甲醛(HCHO)转化为单糖，但存在产物复杂、选择性差等问题。尽管已有研究尝试通过单一催化剂调控，但多催化剂协同作用机制尚未阐明。

为解决这一挑战，大阪大学的研究团队创新性地提出"多层子结构整合"策略，以γ-Al₂O₃和磷酸盐缓冲液(PB)为模型催化剂，通过实验与理论计算结合，首次揭示了第三种催化物种的协同机制。研究发现，这种新型P-Al₂O₃催化剂能特异性激活果糖-葡萄糖转化通路，使葡萄糖产量提升10倍，相关成果发表于《Communications Chemistry》。

关键技术方法包括：1) HPLC时间梯度分析糖类产物；2) 交叉相关系数统计模型解析CRN子结构；3) 固态³¹P NMR表征催化剂结构；4) 密度泛函理论(DFT)计算表面电荷分布；5) 分步催化实验验证缓冲效应。

【多催化剂体系的反应动力学特征】
通过对比γ-Al₂O₃单催化与γ-Al₂O₃-PB双催化系统，发现双系统6小时即可消耗99.9% HCHO，而单系统48小时后仍残留12.5%。pH动态监测显示PB能维持反应体系中性环境(pH 7.0-8.0)，防止γ-Al₂O₃表面质子化失活。

【统计模型揭示关键通路】
创新性开发的"因果评分算法"结合交叉相关系数分析发现：果糖(C6k)相关系数仅0.120，显著低于其他中间体(>0.9)，表明其转化通路受催化剂组合特异性调控。实验证实双系统使果糖-葡萄糖转化速率提高8倍。

【第三催化物种的发现】
DFT计算显示磷酸盐吸附使γ-Al₂O₃表面氧原子负电荷增加0.3e，固态³¹P NMR在-20-0 ppm出现特征峰，证实形成双齿磷酸盐配合物(P-Al₂O₃)。该物种在C6k'→C6k质子转移中表现出独特活性。

【自催化循环重构机制】
突破传统Breslow循环认知，发现P-Al₂O₃能激活C5k→C3k+C2新型裂解通路。分步实验证明：添加PB可使已停滞反应的HCHO继续消耗，同时葡萄糖浓度从0.05 mM升至0.48 mM。

这项研究首次证实了多催化剂通过激活CRN中不同子结构产生协同效应：γ-Al₂O₃维持自催化循环，PB调节pH并参与特定转化，而P-Al₂O₃则特异性促进葡萄糖生成通路。该发现不仅为理解生命起源中的代谢网络演化提供了新视角，更为人工设计高效CRN开辟了道路，在可持续糖类合成、CO₂资源化利用等领域具有重要应用前景。