综述：人工光酶催化用于可持续光驱动化学转化与能量转换

《Materials Today Catalysis》：Artificial photo-enzyme catalysis for sustainable light-driven chemical transformations and energy conversion

　　

酶长期以来被誉为自然界最精妙的催化剂，能够在温和的温度、压力和pH条件下实现复杂化学转化，并展现出非凡的化学选择性、区域选择性和立体选择性。这种效率与选择性的结合使酶在精细化学品合成、大规模工业生物过程以及生物技术、诊断学和治疗干预等多个领域不可或缺。然而，尽管具有这些优势，酶的实际应用仍面临持久挑战：其结构脆弱性使其易于变性，底物范围通常较窄，在非生理条件下的操作稳定性往往较差。此外，许多工业上理想的转化无法由天然酶实现，因为所需的氧化还原电位或电子传递路径超出了生物辅因子的能力范围。这些局限性共同制约了酶催化的广度，促使研究人员积极探索能够在保留酶固有精度的同时扩展其功能空间的策略。 一种特别有前景的突破途径是将酶催化与光相结合。利用光子驱动或扩展酶活性的理念催生了光酶催化这一快速发展的领域。与传统依赖热活化路径和生物辅因子的酶促过程不同，光酶催化系统利用光作为可再生能量输入，能够产生基态条件下无法获得的激发态、自由基或电荷载体。这种酶催化精度与光化学能量的结合开辟了全新的可能性。光酶催化已展现出在传统有机合成范围之外实现高对映选择性转化、在温和条件下实现二氧化碳等小分子的多电子还原、高选择性降解持久性污染物以及介导光动力疗法等光驱动治疗功能的潜力。这些发展共同表明，光不仅能增强酶活性，还能引入与全球绿色可持续化学目标高度契合的新型反应模式。 在光酶催化的核心，需要实现酶与光捕获系统的有效耦合。基于半导体的光催化剂因其能够吸收宽光谱光子并产生可定向输送到酶氧化还原中心的长寿命电子-空穴对而尤为突出。半导体的结构和电子多样性、可调带隙以及表面修饰能力，使其成为连接光化学与生物催化不同需求的理想桥梁。半导体可以向催化CO?固定的酶提供还原当量，为污染物降解提供氧化能力，或再生对映选择性转化所必需的辅因子。此外，通过实现直接的太阳能到化学能转换，半导体-酶杂化体体现了一种概念上优雅的可持续催化路径，可最大限度地减少对化石能源输入的依赖。 尽管具有这些优势，光酶催化领域仍面临若干严峻挑战。半导体导带与酶辅因子之间的能级对齐往往不完善，导致电子传递效率低下。长时间辐照下半导体的光腐蚀会侵蚀稳定性并降低性能。光暴露下酶的失活以及受限几何结构中的传质问题进一步增加了系统耐久性和可扩展性的复杂性。此外，虽然概念验证演示层出不穷，但将实验室成果转化为可扩展的工业或环境应用技术仍是一项艰巨任务。这些局限性凸显了对优化半导体-酶界面、开发新型辅因子工程以及利用新兴合成生物学工具进行理性设计策略的迫切需求。 在本综述中，研究人员特别强调实现酶与半导体光催化剂有效耦合的策略。首先考察辅因子在介导光驱动电子传递中的作用，并综述人工辅因子或模拟物的工程化进展以扩展反应空间。随后重点介绍酶与半导体材料集成的不同方法，包括表面锚定、多孔结构内封装、原位结晶以及纳米尺度界面的生物杂化组装。接下来讨论代谢途径工程策略，该策略重新布线天然酶级联反应以利用光化学输入，从而设计出接近自然光合作用效率同时获得全新反应性的杂化系统。最后，综述推动该领域研究的主要应用领域：用于精细化学品合成的高对映选择性转化、作为太阳能燃料和碳中和原料路线的二氧化碳光还原、温和条件下高选择性降解环境污染物，以及将酶精度与光激活治疗作用相结合的光动力治疗平台的发展。在此更广泛的背景下，光酶催化的意义超越了将太阳能储存于还原分子产物之中。光吸收建立了非平衡化学状态，随后酶控制的激发态、电子、空穴、自由基或活性氧的利用决定了捕获光子能量的功能结果。在CO?还原和生物质转化中，该能量保留在燃料或有价值的分子产物中，因此代表了传统意义上的太阳能到化学能的转换。在环境修复中，相同的光化学驱动力被导向选择性键断裂、氧化和解毒过程；当废弃物衍生的底物被转化为可再利用的碳产物而非完全矿化时，修复可进一步演变为化学增值。治疗性光酶系统代表了同一基本原理的不同终点：吸收的光子被转化为局部产生的化学物质，其反应性由酶或类酶催化位点调控。因此，本综述将光酶催化视为涵盖能量储存、可持续合成、环境转化和生物医学光化学的光驱动化学转化家族，而非仅局限于燃料生产。

1. 引言

酶作为自然界最精妙的催化剂，能够在温和条件下实现复杂化学转化并展现卓越的选择性。然而，酶的结构脆弱性、狭窄的底物范围以及在非生理条件下较差的稳定性限制了其实际应用。将酶催化与光结合形成了光酶催化这一新兴领域，利用光作为可再生能量输入产生基态条件下无法获得的激发态、自由基或电荷载体。半导体光催化剂因其宽光谱吸收能力和可调带隙成为理想的光捕获伙伴，能够向酶氧化还原中心输送光生电荷载体。本综述将人工光酶催化系统分为四类：光激活或工程化天然酶、半人工光酶或半导体-酶生物杂化体、基于蛋白质的人工光酶以及光响应纳米酶。尽管面临能级对齐不完善、半导体光腐蚀、酶光失活等挑战，光酶催化已成为最具活力的研究前沿之一，其意义涵盖能量储存、可持续合成、环境转化和生物医学光化学。

2. 辅因子在光酶催化中的作用

辅因子作为光化学激发与生物化学功能之间的分子桥梁，在光酶催化中发挥核心作用。天然光激活酶如DNA光裂解酶（photolyase）含有催化活性的还原型黄素腺嘌呤二核苷酸（FADH^?）和天线辅因子如次甲基四氢叶酸（MTHF）或8-羟基-5-脱氮黄素（8-HDF），通过福斯特共振能量转移（FRET）实现高效光子利用。脂肪酸光脱羧酶（FAP）以黄素腺嘌呤二核苷酸（FAD）作为唯一光吸收体和氧化还原中心，通过蓝光激发实现脂肪酸的选择性C–C键断裂。黄素辅因子在氧化态（Flav_ox）、半醌态（Flav_sq）和氢醌态（Flav_hq）之间转换，光激发显著扩展了其氧化还原窗口：激发态氧化型黄素（Flav_ox^?）的氧化电位约为+1.76 V（vs. SCE），激发态氢醌型黄素（Flav_hq^?）的还原电位约为–2.26 V（vs. SCE）。烟酰胺辅因子NAD(P)H也可参与电子供体-受体（EDA）复合物的形成。蛋白质环境通过静电稳定化、氢键相互作用和辅因子几何变形显著调控辅因子的氧化还原电位和激发态反应性，例如游离FMN的半醌/氢醌电位为–269 mV，而嵌入鱼腥藻黄素氧还蛋白后移位至–438 mV。电子传递速率遵循马库斯（Marcus）理论，蛋白质静电主要影响反应自由能（ΔG_ET°），供体-受体距离和取向控制电子耦合（H_AB），辅因子变形和蛋白质刚性影响重组能（λ）。NAD(P)H的光驱动再生策略包括分子光敏剂介导路径、半导体-酶生物杂化体路径和光电化学器件路径。人工天线-辅因子对的工程化可扩展光谱灵敏度，而甲基紫精等小分子介体作为伪辅因子连接光捕获单元与催化酶。

3. 半导体-酶生物杂化体的集成策略

半导体-酶生物杂化体通过将光吸收与酶催化分离但电子耦合的组件结合，实现太阳能驱动的生物催化。集成策略包括表面锚定、多孔架构内封装、原位结晶以及纳米尺度界面的生物杂化组装。界面电子传递、能级对齐、载流子寿命和酶取向是决定催化性能的关键因素。半导体材料包括金属硫化物量子点（如CdSe、CdS）、石墨相氮化碳（g-C₃N₄）、碳点以及光电电极材料等。这些系统通过向铁氧还蛋白-NADP⁺还原酶（FNR）等酶直接输送光生电子，实现辅因子再生和后续酶促转化。

4. 代谢途径工程策略

代谢途径工程通过重新布线天然酶级联反应以利用光化学输入，设计能够接近自然光合作用效率并获取全新反应性的杂化系统。该策略涉及将光捕获模块与多酶级联反应整合，实现从光子到目标产物的高效能量传递和物质转化。通过合成生物学工具和代谢网络调控，可以优化酶的表达、定位和协同作用，从而提升光酶催化系统的整体性能。

5. 主要应用领域

光酶催化在多个应用领域展现出巨大潜力。在对映选择性转化方面，光酶催化系统能够在酶活性位点的立体控制环境中实现自由基环化、加氢烷基化和交叉偶联等反应，为精细化学品合成提供新路径。在二氧化碳（CO₂）光还原方面，半导体-酶杂化体能够在温和条件下实现CO₂的多电子还原，为太阳能燃料和碳中和原料生产提供可行方案。在污染物降解方面，光酶催化系统能够在温和条件下高选择性降解持久性环境污染物，实现环境修复。在光动力治疗方面，光酶催化平台结合酶精度与光激活治疗作用，通过光生活性氧（ROS）实现局部治疗功能，为生物医学应用开辟新途径。