在工業生物制造領域，一種名為NAD(P)H的輔酶因價格高昂（3000美元/摩爾）且需化學計量消耗，長期制約著酶催化反應的產業化應用。傳統再生方法依賴銠、釕等貴金屬復合物作為電子介體，不僅成本高，還可能導致酶失活。近日，浙江師范大學楊啟華團隊在《Frontiers of Chemical Science & Engineering》發表綜述，系統闡述了無金屬介體光催化NAD(P)H再生技術的最新進展，部分體系轉化率達45.5%，為綠色生物制造提供了低成本解決方案。

從“貴金屬依賴”到“全有機催化”：一場輔酶再生的材料革命

NAD(P)H是生物體內90%氧化還原酶的“能量貨幣”，就像手機需要充電一樣，酶催化反應也需要不斷再生NAD(P)H才能持續進行。傳統光催化系統中，貴金屬介體扮演“電子中轉站”角色，將光催化劑產生的電子傳遞給NAD(P)+。但這些介體穩定性差，且與酶混合后易導致蛋白質變性。

“無金屬系統的突破在于找到直接‘對接’NAD(P)+的材料。”研究團隊指出，通過設計具有π共軛結構的有機半導體，如三嗪基共價有機框架（TP-COF），可利用材料與NAD(P)+之間的π-π堆疊作用實現電子直接轉移。這種“無中介”模式不僅省去了貴金屬成本，還縮短了電子傳輸路徑，就像“快遞無需中轉站直達收件人”，效率顯著提升。

兩大技術路徑破解選擇性難題：從分子設計到表面工程

路徑一：共軛聚合物的“電子隧道”效應

團隊開發的DBTS-CMP1共軛微孔聚合物，在可見光照射下15分鐘內實現45.5%的NADH產率。這種材料通過噻吩單元的電子給體特性，構建了高效的“電子傳輸隧道”，同時多孔結構為NAD(P)+提供了豐富的結合位點。實驗顯示，其光穩定性優異，連續6次循環使用后活性無明顯下降。

路徑二：貴金屬納米顆粒的“替代方案”

對于難以完全擺脫金屬的場景，研究者提出用納米金（Au）和銠（Rh）顆粒替代復雜金屬配合物。Au@Rh納米花系統通過表面等離子體效應增強光吸收，Rh納米顆粒作為活性中心直接還原NAD(P)+，NADH產率達30%，選擇性較傳統體系提升1.2倍。這種“納米催化劑”策略將貴金屬用量降低至微克級，成本僅為傳統方法的1/20。

產業化前夜的挑戰：選擇性與穩定性的平衡

盡管無金屬系統展現出潛力，但其面臨的最大瓶頸是產物選擇性。生物活性的1,4-NAD(P)H是目標產物，但無介體體系易生成1,6-異構體等副產物。例如，TP-COF系統中1,4-選擇性約為60%，低于銠介體的95%。

“解決選擇性問題需要精準調控NAD(P)+在材料表面的吸附構型。”團隊認為，未來可通過分子模擬設計材料表面官能團，就像“定制鑰匙匹配NAD(P)+的鎖孔”，引導其以正確取向結合。此外，將無金屬光催化劑與酶固定在同一載體上，構建“人工葉綠體”式集成系統，有望進一步提升電子利用率。

來源: 化學工程前沿FCSE