AIE聚合物胶束/囊泡作为光催化剂与天然酶结合构建有氧生物-光催化体系

2023-01-11
摘要:法国PSL大学巴黎高科化学学院李敏慧研究员团队合成了一种具有AIE性质的聚合物胶束/囊泡,可被用作光催化剂,与天然酶结合构建有氧生物-光催化体系
聚集诱导发光(AIE)纳米材料在荧光传感器、生物成像、光动力学治疗等领域具有广阔的应用前景。基于AIE分子独特的光物理性质,AIE纳米材料还有望应用于光催化领域,但目前鲜有人研究。近日,法国PSL大学巴黎高科化学学院李敏慧研究员团队合成了一种具有AIE性质的聚合物胶束/囊泡,可被用作光催化剂,与天然酶结合构建有氧生物-光催化体系。


酶催化反应具有高活性和高选择性等优异特点,在绿色有机合成领域引起了越来越多研究者的关注。自然界中,多数通过生物酶催化的合成反应都需要酶辅因子(如NAD+/NADH)的协助。在我们所熟知的植物光合作用中,叶绿素吸收太阳光被激发,光解水产生氧气,同时将酶辅因子NADH转变为NAD+。产生的NAD+进而参与达尔文循环,将二氧化碳转化为富含能量的葡糖糖储存起来。与此同时,NAD+在达尔文循环中转变回NADH。由于酶辅因子NAD+/NADH的相互转化,植物便可源源不断吸收二氧化碳,合成富含能量的葡萄糖。因此,模拟生物体系,构筑人工光-酶催化体系具有重要的研究和实用意义。在光催化条件下,酶辅因子可持续再生,解决酶辅因子价格昂贵的问题,使得酶能够可持续地催化产物的生成。然而大多数的光催化剂(比如有机染料分子、微米颗粒、共价或金属有机骨架化合物(COFs或MOFs))在有氧条件下,不仅能催化再生酶辅因子,同时也能与氧气作用生成活性氧(如过氧根离子、羟基自由基、单线态氧等)。这些具有强氧化作用的活性氧可以使生物酶失活,因此限制了光催化剂与生物酶结合,以实现可循环的绿色合成。

在此工作中,作者设计合成了一种具有核壳结构的聚合物胶束和囊泡光催化体系。其催化剂核心由疏水AIE聚合物组成,壳由聚乙二醇(PEG)组成。在水相中,亲水PEG层可以很好地稳定和保护催化活性中心(图1)。催化过程中,小分子酶辅因子NAD+/NADH可以自由穿过PEG扩散到催化中心,实现其光催化再生。与之相反,大分子酶被PEG层有效阻挡,避免了与催化活性中心的接触。关键在于,合适尺寸的PEG层可以有效地阻止活性氧扩散出去与酶接触。因此,在整个光-酶催化体系中,生物酶始终可以保持活性。

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图1. 聚合物纳米催化体系(A)和人工光-酶催化体系的组成(B)。

该聚合物胶束/囊泡可与1-葡萄糖脱氢酶组成生物-光催化体系(图2)。在光照条件下,AIE聚合物纳米粒子可持续催化酶辅因子NAD+ 的再生。在光以及暗条件下,1-葡萄糖脱氢酶可利用再生的NAD+,高效并高选择性地催化氧化葡萄糖。整个体系在光暗循环中,可稳定运行10个循环以上。该体系为构筑简单的人工光-酶催化体系提供了一种新思路。同时,此工作拓展了AIE纳米材料在催化领域的应用。

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图2. 聚合物囊泡可与1-葡萄糖脱氢酶组成的生物-光催化体系。

这一成果近期发表在Journal of the American Chemical Society 上,文章的第一作者是张念博士,通讯作者为李敏慧研究员和陈辉博士。


AIE Polymer Micelle/Vesicle Photocatalysts Combined with Native Enzymes for Aerobic Photobiocatalysis

Nian Zhang, Sylvain Trépout, Hui Chen,* and Min-Hui Li*
J. Am. Chem. Soc., 2022, DOI: 10.1021/jacs.2c09933


李敏慧教授简介


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李敏慧,法国国家科学研究中心(CNRS)一级主任研究员,博士生导师,北京化工大学北京软物质科学与工程高精尖创新中心的海外专家。1986年毕业于北京清华大学,1988年获清华大学硕士学位,1993年获巴黎居里大学博士学位。1993-1994年在法国石油研究院从事博士后研究。1994年考入法国国家科学研究中心,翌年成为该中心永久研究员,2011年升为主任研究员。1997-2014年就职于巴黎居里研究所,2015年起调任巴黎PSL大学巴黎高科化学学院。

她的主要研究领域为高分子及液晶软物质功能及智能材料。在相关领域发表SCI论文100余篇,包括JACS, Angew. Chem. Int. Ed、PNAS、Phys. Rev. Lett.、Adv. Mater.、ACS Nano、ACS applied materials & interfaces、Macromolecules、 Chem. Commun.、Soft Matter、Chem. Sci 、Green Chemistry 等。获授权发明国际专利一项。参与撰写多本英文书籍。李敏慧教授还是巴黎高科化学学院院长的中国事务顾问,致力于促进中法科研和教育的高水平合作。


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