Sabatier原则调控自给自足异相生物催化剂在氧化还原转化中的性能

研究人员针对工业生物催化中辅因子成本高、稳定性差的问题，通过构建酶与辅因子共固定的自给自足异相生物催化剂(ssHBs)，揭示了其催化效率受辅因子-聚合物结合热力学调控的机制。研究发现ssHBs遵循Sabatier原则，中等结合强度下催化活性最高，并通过调节pH和离子强度优化了NAD(P)H的静电结合与酶活性。该成果为设计高效生物催化剂提供了理论指导，发表于《Cell Reports Physical Science》。

　　

在生物催化领域，氧化还原酶（如依赖NAD(P)H的脱氢酶）因其高选择性和温和反应条件备受关注，但辅因子的高成本和易降解性长期制约其工业应用。传统解决方案需持续添加辅因子，而辅因子再生系统又面临操作复杂、效率低下的困境。如何实现辅因子的原位再生与循环利用，成为突破该技术瓶颈的关键。

西班牙巴斯克研究与技术联盟（BRTA）下属生物材料合作研究中心（CIC biomaGUNE）的Eleftheria Diamanti团队在《Cell Reports Physical Science》发表研究，创新性地提出自给自足异相生物催化剂（self-sufficient heterogeneous biocatalysts, ssHBs）的设计策略。通过将脱氢酶与辅因子共固定在带正电聚合物修饰的多孔琼脂糖载体上，首次证实该类催化剂的性能遵循Sabatier原则——即辅因子与聚合物的结合强度需保持"不强不弱"的中间状态才能实现最高催化效率。

研究采用三大关键技术：1）通过钴螯合物/环氧基双功能化琼脂糖微球（AG-Co²⁺/E）实现His标签酶的定向固定；2）利用聚烯丙胺（PAH）或聚乙烯亚胺（PEI）涂层静电吸附NAD(P)H辅因子；3）结合Langmuir等温线测定、单粒子荧光显微分析及核磁共振（¹H-NMR）等手段解析辅因子结合热力学与酶活性的关联机制。

主要发现如下：
酶活性遵循Sabatier原则
通过构建数学模型揭示ssHBs存在双重热力学平衡：辅因子在颗粒内部（K_∞）与外部（K_L）的结合平衡。当K_L[CP]_o（颗粒内总辅因子浓度）处于中间值时，未结合辅因子CP_u浓度最高，使酶活性呈现火山型曲线（图5A）。实验证实PAH涂层系统在pH 7、无盐条件下活性峰值最高（K_L=0.15 mM^-1），而PEI系统则在50 mM NaCl时达峰。

环境参数调控结合热力学
改变pH和离子强度可显著影响辅因子-聚合物相互作用（图3）。PAH对NADH的K_L值普遍高于PEI（pH≤7时除外），而PEI因富含氨基基团表现出更高的q_max（最大吸附容量）。对于NADPH系统，两种聚合物的K_L差异更显著，但火山曲线峰位相近，提示可能存在结合常数补偿效应。

颗粒内形成致密液相
¹H-NMR与MRI显示（图6），NAD(P)H-聚电解质复合物会形成密度更高的液相环境，使水分子扩散系数降低50%。荧光探针PRODAN证实高盐条件（150 mM NaCl）下颗粒内极性降低，这种相分离现象直接影响K_∞平衡。

该研究首次将Sabatier原则拓展至异相生物催化体系，阐明通过精确调控辅因子结合强度可优化催化剂性能。相比传统均相系统，ssHBs在批次反应器中表现更优（α=400时活性提高5倍），为连续流生物制造提供了新思路。研究建立的数学模型可指导不同反应器配置下的催化剂设计，而发现的致密相现象为理解限域空间内的酶动力学提供了新视角。