李灿院士团队实现仿生辅酶的高效再生，选择性高于99%，助力构筑太阳能人工光合成体系

近日，中国科学院大连化学物理研究所（下称“大连化物所”）李灿院士和丁春梅研究员团队，实现了太阳能光电催化仿生 NAD(P)H 辅酶的高效再生。

其中，1,4-NAD(P)H 选择性达到 99%、转化率接近 100%，能为构建高效人工光合成体系奠定一定基础。

日前，相关论文以《具有仿生功能的 Ni₃S₂ 与铑配合物的电催化 1，4-NAD（P）H 再生耦合体系》（A Coupled System of Ni3S2 and Rh Complex with Biomimetic Function for Electrocatalytic 1,4-NAD(P)H Regeneration）为题发在 JACS。

图 | 相关论文（来源：JACS）

大连化物所博士生田书杰是第一作者，大连化物所李灿院士和丁春梅研究员担任共同通讯作者。

图 | 丁春梅（来源：丁春梅）

据介绍，还原型辅酶 Ⅰ 或 II（简称 NAD(P)H），是一种重要的电荷传输媒介和能量载体，其造价非常昂贵。

在释出电子和质子之后，NAD(P)H 辅酶会变为氧化态，导致人们很难以化学计量的方式来使用它。因此，在使用 NAD(P)H 辅酶的时候，必须采取循环再生的方式。

在本研究中，再生得到的 NAD(P)H 可用于酶催化的谷氨酸合成等氢化还原反应。此前，该课题组还发现：电催化再生的还原型辅酶 Ⅰ，能被直接用于人工催化剂催化的亚胺氢化反应[1]。

因此，随着光电催化领域的进一步发展，本次成果有望用于合成生物学酶催化反应、太阳能人工光合成体系的构筑，从而能够通过太阳能来合成氨基酸、糖类等高值化合物。

（来源：JACS）

开发高效的电催化 NAD(P)H 再生催化剂

据了解，太阳能人工光合成——是完成“双碳”目标、实现新能源转型的重要路径。国际社会对此亦是十分重视，美国、日本、欧盟等国家和地区先后启动了一系列重大战略计划。

所谓的人工光合成，即利用太阳能将水和二氧化碳转化为氢气、甲醇等高值产物，人们将这些高值产物统称为“太阳能燃料”。

在上述背景之下，李灿团队在很早之前就开始研究太阳能人工光合成。

2001 年开始，该课题组先后布局了在光催化和光电催化人工光合成领域的学术研究，并研发了相关的先进光谱表征技术。

在此基础上，建成了液态太阳燃料的千吨级示范，以水和二氧化碳出发，实现了绿氢和甲醇的规模化人工光合成制备。

尽管人们在人工光合成领域已经取得重大进展，然而依旧只能得到小分子燃料，难以生成更复杂的高值化合物。

而自然光合作用则能以二氧化碳和水为出发点，合成葡萄糖等碳水化合物。对于自然光合作用来说，它包含光反应和暗反应这两大部分。

其中，光反应在将水氧化之后，可以释出电子和质子，并储存在还原型辅酶 Ⅱ（NADPH，nicotinamide adenine dinucleotide phosphate）还原力和三磷酸腺苷中。

还原型辅酶 Ⅱ，是一种重要的电荷传输媒介和能量载体，能被用于酶催化开尔文循环暗反应过程。

秉持道法自然的原则，李灿团队将人工光反应和仿生暗反应加以耦合，借此合成复杂的高值产物。

对于人工光反应来说，它能捕获太阳能、并将其储存在高能还原力中，然后利用合成生物学酶催化暗反应，来合成复杂的高值产物。

其中，NAD(P)H 辅酶的再生是最重要的一环，它是连接光反应和暗反应的桥梁。

在自然界中，90% 的氧化还原酶、以及大约 400 种脱氢酶催化反应，NAD(P)H/NAD(P)⁺ 辅酶的参与必不可少。

而如何通过人工催化的方法，进行高效的 NAD(P)H 再生循环，一直是领域内的难题之一。

还原型辅酶 Ⅰ 和还原型辅酶 Ⅱ 这两种分子都十分复杂，而 NAD(P)H 的再生需要 2 个电子和 1 个质子转移，容易生成多种副产物。

对于生物体系中的 1,4-还原型辅酶 Ⅱ 来说，它是通过铁氧还蛋白-NADP 还原酶（简称 FNR 酶）中的黄素腺嘌呤二核苷酸分子催化而来。

铁氧还蛋白会将电子传递给黄素腺嘌呤二核苷酸，并将其还原，然后通过氢负转移即可实现 100% 的空间选择性。

此前，人工催化还原型辅酶再生面临的最大难点是：具有生物活性的 1,4-NAD(P)H 产物的选择性和活性都比较低。

而对于学界此前研发的直接电催化 NAD(P)⁺ 还原 1,4-NAD(P)H，其选择性通常低于 70%，难以让 NAD(P)H 同时实现高活性、高选择性的再生。

因此，该课题组将开发高效的电催化 NAD(P)H 再生催化剂，作为近期一系列研究的主要目标。

选择性达到 99.1%，转化率接近 100%

此前，在同类实验中人们一般使用铑分子来作为媒介体。而该团队希望避开铑分子，直接进行光电催化、或电催化 NAD(P)H 辅酶的再生，以避免铑分子对于后续反应的影响。

研究中，他们通过采用多种金属催化剂和碳材料，直接开展电催化还原型辅酶 Ⅰ 辅酶再生的研究。

但是，他们发现所生产的产物非常复杂，包含了 1,4-还原型辅酶 Ⅰ、1,6-还原型辅酶 Ⅰ、二磷酸腺苷-核糖等产物。

而具有生物活性的 1,4-还原型辅酶 Ⅰ 的选择性仅为 60% 左右，同时课题组并没有观测到此前文献中报道的 NAD₂ 副产物。

进一步研究之后他们发现：对于铜表面的 NAD⁺ 还原来说，它倾向于吸附氢耦合电子转移机理[2]。借此他们发现了电极表面吸附氢对于还原型辅酶Ⅰ 再生反应的重要性。

进一步地，为了解决 NAD(P)H 再生反应的选择性问题，该团队开展了进一步的研究。结果发现：在生物体系之中，很多加氢和脱氢酶的催化中心，都含有过渡金属硫化物中心。

在此启发之下，他们开发了一系列的金属硫化物催化剂，其中包含一款名为 CoMo_2.75S_x 的催化剂。

在无需外加铑分子来作为媒介体的条件下，CoMo_2.75S_x 催化剂直接电催化 1,4-NAD(P)H 再生的选择性能够达到 91%[3]。

课题组还发现：上述过程和生物体系有着类似的氢负转移过程，这说明它暗合了自然界酶催化还原型辅酶 Ⅱ 再生的机制。

但是，上述过程的活性依旧有待提高。而要想让人工催化 NAD(P)⁺ 还原同时以较高的活性和选择性生成 1,4-NAD(P)H，仍然是一件难事。

此前，有文献报道称：贵金属铑配合物[Cp*铑(bpy)(H₂O)]Cl₂，能够以高区域选择性的方式，实现人工催化 1,4- 还原型辅酶 Ⅰ 的再生。其中，铑-氢是活性中间物，铑-氢物种的形成有着十分缓慢的动力学，这就会导致活性很低。

这时，该团队注意到：具有适当的水/质子还原性能和氢吸附性能的金属硫化物，可以通过电化学途径生成活性氢。

课题组推测：这些活性氢可能会促进铑分子氢化反应产生铑-氢中间体以及 NAD⁺ 的还原过程。

基于这一推测，该团队开发了不同的硫化镍（Ni₃S₂ 和 NiS₂）催化剂，并将其用于电催化 NAD⁺ 还原反应。

同时，他们还通过耦合金属硫化物和有机金属配合物催化剂的优势，提升了 NAD(P)H 再生的活性和选择性。

此外，课题组还发现：对于单独硫化镍催化剂来说，它其实是一种新型的 NAD(P)H 再生催化剂。

然而，它在以直接电催化的方式进行 NAD(P)H 辅酶再生时，1,4-NAD(P)H 的选择性仅有 80% 左右。

尽管采用铑分子催化的方式，的确可以高选择地生成 1,4-NAD(P)H，但是所能实现的活性很低。

有意思的是，Ni₃S₂ 催化剂和铑分子的耦合体系，则能同时以较高的效率和选择性，使得 NAD(P)⁺ 还原生成 1,4-NAD(P)H。

实验数据显示：上述过程的选择性达到 99.1%，转化率接近 100%。

当进行“归一化”处理之后，Ni₃S₂- 铑体系的 NAD⁺ 还原活性，分别是 Ni₃S₂ 体系和铑分子体系的 5.8 倍和 13.2 倍，而这主要归功于 Ni₃S₂ 和铑分子之间的协同效应。

并且，其他的多种过渡金属硫化物也能与铑分子产生协同效应。

该团队表示：在 Ni₃S₂- 铑体系之中，作为协同电子-质子转移的媒介体，Ni₃S₂ 能够促进铑-氢活性物种的形成，进而可以促进 NAD(P)⁺ 还原反应的发生。

而铑-氢物种则能和 NAD(P)⁺ 的烟酰胺发生相互作用，从而能够以定向方式转移氢负，进而可以高选择性地生成 1,4-NAD(P)H。

总的来说，Ni₃S₂ 和铑分子耦合体系能够模拟生物氧化还原酶的功能，为设计高效、高选择性的 1,4-NAD(P)H 再生人工系统提供了新思路。

另外，课题组发现其他多种金属和铑分子催化剂，也能体现类似的协同效应。

于是，他们又将质子还原电催化剂和高选择性分子催化剂加以耦合，打造出一种能够实现高效 NAD(P)H 再生的普适性策略[4]。

（来源：JACS）

有望构建高效人工光合成体系，生成更多人工光合成高附加值产物

总的来说，针对硫化物电催化剂和铑分子催化剂对于电催化 NAD(P)⁺ 还原反应的协同效应，该团队已经完成了相关研究。

通过此，他们揭示了通过协同电子-质子转移过程促进铑-氢活性物种形成的仿生机制，以高活性、高选择性的方式实现了 1,4-NAD(P)H 的再生。

但是，电催化 NAD(P)H 再生活性水平依旧有待提高。目前，产物生成的电流密度约 1mA/cm²，所生成的 NAD(P)H 浓度大约为 1mM 左右。

NAD(P)H 再生反应是一个还原氢化的过程，会伴随着强烈的产氢竞争反应。

在上述研究之中，单独使用 Ni₃S₂ 进行电催化 NAD(P)⁺ 还原时，NAD(P)H 产物的法拉第效率普遍低 10%，发生严重的产氢副反应。

在 Ni₃S₂- 铑耦合体系之中，NAD(P)H 产物的法拉第效率则能达到 56%，这说明产氢竞争反应已被显著抑制。

即便如此，法拉第效率仍然有待进一步提高。要想实现这一目标，重中之重便是设计具有适当吸附氢性能的电极材料，并将活性氢有效地用于 NAD(P)⁺还原反应。

因此，该团队将继续秉持道法自然的原则，从结构和功能等多个层面进行仿生设计，争取提升 NAD(P)H 的再生性能。

此外，在上述研究之中，他们使用酶催化谷氨酸合成反应来作为探针反应，以此来检测 1,4-NAD(P)H 的选择性。

同时，课题组已经证明电催化再生的还原型辅酶 Ⅰ，能够有效地用于人工催化剂催化的亚胺氢化还原反应[5]，为将来通过耦合酶催化暗反应进行二氧化碳转化和氨基酸合成奠定基础。