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基于非均相化学催化法再生辅酶NAD(P)H

生物催化因具有低能耗、可持续、高选择性等特点,在化工、制药、能源等领域中得到广泛的应用。其中氧化还原酶(oxidoreductases)约占所有酶的25%左右,可在温和条件下,高选择性(100%)地催化碳基小分子氢化还原合成目标产物。然而,氧化还原酶催化碳基小分子氢化的过程通常需要昂贵的辅酶作为第二底物(还原剂)参与反应。因此,寻求绿色、可行且有效的方法实现辅酶的高效再生是研究者普遍关注的热点和难点。


近日,英国阿伯丁大学(University of Aberdeen)Xiaodong Wang博士(点击查看介绍)与天津大学石家福博士(点击查看介绍)应邀在Chem 杂志上合作撰写题为Cofactor NAD(P)H Regeneration Inspired by Heterogeneous Pathways 的综述文章。该文章全面地总结了近年来辅酶的再生方法,并着重介绍了基于非均相化学催化法实现辅酶绿色高效的再生过程及其优势

图1. 辅酶再生方法:酶法、均相催化法、光化学法、化学法、电化学法、非均相催化法


作者在文中首先介绍了辅酶(特别是烟酰胺型辅酶NADH和NADPH)在酶催化中的作用以及辅酶再生的背景和意义。

图2. 烟酰胺型辅酶NADH、NAD+、NADPH和NADP+的分子结构式


随后作者以NAD(P)H的再生为例,阐释了该辅酶氢化还原过程的机制:酰胺基吡啶C4的氢化过程。氢化位置的变化会导致辅酶的结构发生变化,从而无法完成第二底物作为还原剂的功能。


作者将目前已报道的NAD(P)H再生方法分为六类:酶法、均相催化法、光化学法、化学法、电化学法、非均相催化法,较为详细地介绍了每种方法催化NAD(P)+再生过程的基本原理和效率。此外,文章着重介绍了光催化辅酶NAD(P)H再生过程与非均相催化辅酶NAD(P)H再生过程。


光催化辅酶再生过程与自然界光合过程最为相似,但由于涉及的反应物质(如牺牲剂、电子导体、光催化剂等)较多且多为分子尺度,后续分离过程能耗较大、困难较多,因此光催化辅酶再生势必发展为构建高度集成的光催化辅酶再生系统,其过程更接近自然界的光反应,进而偶合酶催化过程,构建集成度更高的酶光偶联系统。目前,共同通讯作者石家福博士正致力于高度集成酶光偶联系统的构建与应用。


非均相催化辅酶过程是Xiaodong Wang博士于2016年开发的新型辅酶再生技术ACS Catal., 2016, 6, 1880-1886)。作者以氢气为原料,利用Pt/Al2O3催化剂中的Pt纳米粒子活化氢气。他们发现,在该催化剂表面活化产生的氢可选择性地实现NAD+中C4的氢化还原,从而获得具有酶反应活性的1,4-NADH,收率可达80%,副产物仅为H+。这一结果表明,非均相辅酶再生与酶还原过程偶联后,无需多步分离(即生成的H+在酶催化过程中作为反应物消耗),一步实现产物的持续高效合成并极大地降低能耗。作者以丙醛氢化制丙醇为例,初步阐明了其辅酶再生与酶催化过程进行偶联的可行性。

图3. 辅酶再生与酶促氢化过程偶联催化合成正丙醇的示意及性能图


该研究及后续工作得到英国The Royal Society (RG150001 and IE150611)、中国国家自然科学基金委(21406163)等项目的支持。


该论文作者为:Xiaodong Wang, Tony Saba, Humphrey H.P. Yiu, Russell F. Howe, James A. Anderson, Jiafu Shi

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Cofactor NAD(P)H Regeneration Inspired by Heterogeneous Pathways

Chem, 2017, 2, 621-654, DOI: 10.1016/j.chempr.2017.04.009


Xiaodong Wang博士简介


专业:Chemical Engineering / Catalysis

研究方向:

1. Heterogeneous catalysis

2. Cofactor regeneration

3. Carbon dioxide and biomass utilisation

4. Selective hydrogenation

5. Reaction thermodynamics and kinetics, materials synthesis and characterisation


http://www.x-mol.com/university/faculty/44776


石家福博士简介


专业:环境科学/化学工艺/生物化工

研究方向:

1、生物质基功能材料的开发及其在环境领域的应用

1)多酚化学与先进生物催化材料

2)多酚化学与油污吸附材料

2、生物催化与一碳生物化工

1)酶光偶联催化转化为二氧化碳

2)生物催化合成其他资源/能源的化合物


主要学术成就、奖励及荣誉:

Chemical Society ReviewsChemAdvanced Functional Materials 等化学、材料、能源环境类学术期刊以第一/通讯作者(含共同第一作者或通讯作者)发表SCI论文30余篇,署名发表SCI论文60余篇,SCI他引600余次;承担国家级、省部级项目多项;获天津市优秀博士学位论文奖、中国石油和化学工业联合会科技进步奖2项;在加州大学伯克利分校、AIChE等高校或学术会议做报告若干次。


http://www.x-mol.com/university/faculty/44777


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