受自然界類囊體膜中質體醌穿梭過程啟發，天津大學姜忠義/石家福研究團隊開發了基於人工類囊體膜的酶-光偶聯催化系統，將酶分子和光催化劑分別固定在膜的外表面和內表面。同時，NAD+/NADH輔酶分子被限制在膜中，並在酶和光催化劑的活性中心之間快速穿梭，從而提高整體催化效率。
綠色生物製造是基於現代工業生物技術的先進制造，為實現雙碳提供了新的突破口。以太陽能為驅動能源的綠色生物製造系統具備能量來源清潔、反應過程綠色、系統可設計性強等突出特點。其中，較為典型的一類則是酶-光偶聯催化系統（Enzyme-Photo-coupledCatalytic System, EPCS）。酶-光偶聯催化系統將天然酶與光催化劑結合實現太陽能到化學能源的轉化，已成為實現生物質、二氧化碳等可再生碳資源高效催化轉化的平台技術。然而，如何提升酶-光偶聯催化系統的整體效率仍面臨着諸多科學挑戰與技術瓶頸。
一般來說，酶-光偶聯催化系統由酶、光催化劑、輔酶分子、反應物和產物等眾多元素組成，可分為三個模塊：輔酶分子再生模塊、輔酶分子利用模塊和輔酶分子穿梭模塊。這三個模塊共同決定着酶-光偶聯催化系統的整體效率。近年來，通過合理設計/篩選光催化劑和酶分子來提高反應速率，強化輔酶分子再生模塊和輔酶分子利用模塊的相關研究已取得了較大進展（Research, 2021, 2021, 8175709; ACS Catalysis, 2021, 11, 9210; 2021, 11,476; 2020, 10, 9664; 2020, 10, 4967; 2020, 10, 2894; 2019, 9, 11492; 2019, 9,3913; 2018, 8, 5664）。然而，負責輔酶分子再生模塊與輔酶分子利用模塊之間的質量和能量交換的輔酶分子穿梭模塊，至今仍鮮有報道。輔酶分子穿梭模塊的核心是將較慢的傳質過程（發生在ns~ms時間尺度）和較快的反應過程（發生在ps~ns時間尺度）匹配起來。這要求系統要在非常小的時間尺度上進行精密的協調優化。
圖1. 人工類囊體膜(TMC)及輔酶分子穿梭過程示意圖為此，我們開發了一種基於人工類囊體膜 (TMC) 的酶-光偶聯催化系統，以增強輔酶分子穿梭模塊實現高效地酶-光偶聯催化。同時，NAD+/NADH輔酶分子被限制在膜中，並在酶和光催化劑的活性中心之間快速穿梭，從而提高整體催化效率。在人工類囊體膜中，純脫氫酶分子和硫化鎘光催化劑分別固定在氧化鈦微囊膜的外表面和內表面。將人工類囊體膜集成系統應用於酶-光偶聯催化還原丙醛過程，丙醛轉化率較非集成系統提升約 6 倍，轉化頻率 (TOF) 高達 38000 ± 365 h-1，較當前報道系統提高了一個數量級。人工類囊體膜集成系統的 NAD+/NADH輔酶分子的表觀和本徵穿梭次數可以達到 17.1 和 46.5，是非集成酶-光偶聯催化系統的 8倍和12倍。基於氧化鈦和輔酶分子間的靜電相互作用，輔酶分子在氧化鈦膜孔道間快速穿梭。我們的研究為複雜生物反應系統高效強化與質能高效耦合開拓了一種新路徑，即通過調節輔酶分子的穿梭過程實現反應過程和分子擴散過程間的協調優化，從而提高酶-光偶聯繫統或其他級聯繫統整體催化效率。Yiying Sun(孫藝瀛)，Jiafu Shi (石家福)，ZhuoWang (王卓)，Han Wang (王涵)， ShaohuaZhang (張少華)，Yizhou Wu (伍一洲)，HongjianWang (王洪建)，Shihao Li (李詩浩)，ZhongyiJiang (姜忠義)Thylakoid Membrane-inspired Capsules with FortifiedCofactor Shuttling for Enzyme-Photo-coupled Catalysis. JACS, 2022,DOI:10.1021/jacs.1c12790.石家福，天津大學環境科學與工程學院副教授，美國加州大學伯克利分校訪問學者。國家優秀青年基金獲得者，國家重點研發計劃青年項目首席科學家。天津市青年科技優秀人才，天津大學北洋青年學者。美國化學會I&ECR有影響力研究學者，ChemBioTalents2022獲得者，天津市優秀博士學位論文獲得者。科技部重點領域創新團隊骨幹成員。長期從事酶催化生物製造過程強化研究。負責承擔了國家重點研發計劃青年項目、國家優秀青年科學基金、國家基金面上/青年項目、國家合成生物技術創新中心委託項目等科研項目。在J. Am. Chem. Soc.、 Chemical Society Reviews（4篇）、ACSCatalysis（8篇）、Chem等期刊發表學術論文100餘篇。H因子32。論文被SCI他引3600餘次。授權中國發明專利10項。2項成果入選美國化學會ACSCatalysis Blurs the Lines Between Catalysis Subdisciplines（全球共25篇）。研究成果得到了ACS Publication、騰訊網等媒體報道。SusMat、ChemicalSynthesis、食品研究與開發等期刊青年編委。入選2021年全球頂尖前10萬科學家榜單。姜忠義，天津大學化工學院教授。教育部長江學者，國家傑出青年基金獲得者，國家「萬人計劃」科技創新領軍人才，英國皇家化學會會士。科技部重點領域創新團隊負責人，中國石化聯合會創新團隊負責人，國家基金委創新群體學術骨幹。國家重點研發項目首席科學家。長期從事膜和膜過程、多酶催化、酶-光偶聯人工光合等研究。負責承擔了國家重點研發計劃項目、國家863重大項目課題、國家基金重點項目、國家自然科學基金重大項目課題、中石油、中石化、中海油委託項目等科研項目。發表SCI論文600餘篇，論文被SCI他引25000餘次，H因子87。作為第一完成人獲省部級科技獎一等獎四項。任Advanced Membranes副主編，Journal of Membrane Science、Research、GreenChemical Engineering等期刊編委。入選2021年全球頂尖前10萬科學家榜單（暫居「化學工程與技術「學科國內第一、全球第四）。連續入選中國高被引學者（化學工程）榜單，全球高被引學者（化學工程）榜單。
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