天津大学孙彦教授团队《ACS AMI》：大道至简 - 一种简单高效的化学-酶复合催化剂用于α-酮酸的合成

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α-酮酸在日化、食品、医药和有机合成等领域具有重要的应用价值。在α-酮酸的合成方法中，以氨基酸氧化酶为催化剂的酶催化法因其反应高效和反应条件温和等特点而备受关注。但氨基酸氧化酶催化合成α-酮酸的过程会伴随副产物H₂O₂的产生，H₂O₂除了会对酶蛋白的活性造成损害以外，还会使α-酮酸进一步发生脱羧反应生成相应的副产物羧酸，从而降低产物α-酮酸的产率。目前解决此难题的方法通常是在该催化体系中引入另一种催化剂用以将H₂O₂分解为O₂，这种方法一方面可以消除H₂O₂对氨基酸氧化酶和产物酮酸的威胁，另一方面H₂O₂分解后生成的O₂可重新参与催化合成α-酮酸的反应，实现O₂的循环利用。目前此方面的研究主要分为两大类，一类是引入另一种酶（如过氧化氢酶），但天然酶的一些缺点（如应用成本高和稳定性差）极大地限制了双酶催化法在大规模合成α-酮酸中的广泛应用。另一类是引入化学催化剂来代替过氧化氢酶实现H₂O₂的消除，虽然化学催化剂稳定性较好且应用成本较低，但其生物相容性往往较差，这对提高α-酮酸产率来说亦是很大的挑战。因此，开发一种生物相容性较好的化学催化剂并将其用于α-酮酸的合成是极富应用前景的。
 天津大学孙彦教授团队首次发现了一种新型的具有过氧化氢酶活性的纳米酶——磷酸钴晶体（CoPs），并利用仿生矿化法在温和的条件下将L-氨基酸氧化酶（LAAO）通过一锅法原位封装在磷酸钴晶体内，以实现LAAO的酶催化反应副产物H₂O₂的及时分解（如图1），从而构建了一种可用于高效催化合成α-酮酸的化学-酶复合催化剂LAAO@CoPs。相关成果以标题为“Cobalt Phosphate Nanocrystals: A Catalase-Like Nanozyme and In Situ Enzyme-Encapsulating Carrier for Efficient Chemoenzymatic Synthesis of α‑Keto Acid”发表在《ACS Applied Materials & Interfaces》期刊上。天津大学化工学院博士研究生王振富为论文第一作者。此研究得到国家自然科学基金等资助的支持。 

图1 化学-酶复合催化剂LAAO@CoPs用于高效催化合成α-酮酸的反应机理图。 

首先通过一锅法制备了化学-酶复合催化剂LAAO@CoPs，SEM图和TEM mapping图表明LAAO@CoPs的纳米花状结构和LAAO在CoPs中的成功包埋。 

图2 （a）化学-酶复合催化剂LAAO@CoPs的SEM图和（b）TEM mapping图，（b2）P元素，（b3）Co元素，（b4）N元素。 

以LAAO@CoPs为化学-酶复合催化剂催化L-色氨酸（L-Trp）的氧化转化反应以合成吲哚丙酮酸（IPA），如图3a所示，随着反应时间的延长，LAAO@CoPs催化体系中的IPA浓度持续增大，而LAAO催化体系中的IPA浓度呈现出先增大然后减小的变化趋势。由图3b可知，LAAO@CoPs的IPA初始反应速率虽稍低于LAAO，反应7h后IPA产率可达100%，为游离酶催化体系的IPA最大产率的2倍以上。此外LAAO@CoPs催化体系中IPA浓度的持续增加表明，由固定化载体CoPs催化的H₂O₂的分解有效抑制了产物IPA的进一步氧化脱羧生成吲哚-3-乙酸（IAA），这在图4中对两种反应体系中H₂O₂含量的实时检测中得到了验证。 

图3 不同催化体系的催化表现，（a）LAAO，LAAO@CoPs和CoPs催化体系中IPA浓度的变化，（b）LAAO和LAAO@CoPs催化反应体系中的IPA初始生成速率和最终产率。 

图4 （a）LAAO和LAAO@CoPs催化体系中H₂O₂的浓度变化与（b）H₂O₂检测显色效果图，（c）LAAO和LAAO@CoPs催化反应体系中IAA的浓度变化。 

图5证明了CoPs材料的类过氧化氢酶活性。此外，为了突出LAAO@CoPs化学-酶复合催化剂的高集成度带来的催化优势，比较了LAAO@CoPs与LAAO和CoPs（LAAO+CoPs）物理混合物的催化性能，其中后者与LAAO@CoPs中相应的单独催化剂的活性相同。图6a所示的二者催化效果差异的原因是，LAAO+CoPs催化体系中产生的H₂O₂不能被及时消耗，从而导致部分LAAO酶蛋白损失活和部分IPA被转为副产物IAA，而在LAAO@CoPs催化体系中，LAAO和CoPs中催化位点的高度接近导致底物通道效应，即LAAO催化反应产生的副产物H₂O₂可被CoPs及时消耗（图1）。此外，与游离酶相比，由于CoPs包埋载体的保护作用，LAAO@CoPs亦具有较好的热稳定性（图6b）和抗蛋白酶性能（图6c）。 

图5 CoPs和LAAO@CoPs催化H₂O₂分解的活性对比。 

图6 （a）LAAO@CoPs和LAAO+CoPs催化反应体系中IPA和IAA的浓度变化，（b）LAAO和LAAO@CoPs的热稳定性，（c）LAAO和LAAO@CoPs的抗蛋白酶性能。

孙彦教授课题组网站链接

http://limb.tju.edu.cn/

相关链接

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.1c15043

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