清华教授突破酶和金属催化剂的“次元壁”，协同催化全新模式实现高效药物中间体合成

“催化是化学的灵魂，催化剂是化工的发动机，”清华大学化学工程系长聘教授戈钧说道。

“催化是化学的灵魂，催化剂是化工的发动机，”清华大学化学工程系长聘教授戈钧说道。

他曾上榜 2015 年度《麻省理工科技评论》全球“35 岁以下科技创新 35 人”榜单。他也是酶催化剂的“设计师”，利用化学工程方法对酶实现定向改造，让酶在各种应用场景中展现出不可忽视的潜力。

图 | 戈钧教授（来源：戈钧）

本质上，催化剂主要分为酶、金属、有机小分子。其中，因为 2021 年诺贝尔奖而大受瞩目的有机小分子催化剂，最初想法在于提取了酶进行催化的活性位点，即氨基酸，实现了高效的不对称催化。

突破酶和金属催化剂的“次元壁”，复合催化剂实现高效药物中间体合成

不同种类催化剂的适用范围和优缺点不尽相同。酶，来自于自然，应用于自然界的合成过程，可以在绿色温和的条件下进行高效催化。酶同时也具有很高的选择性，一种酶往往只能特异性地识别一类底物，因此，也导致反应底物的选择范围较窄。广谱而又高效的金属催化剂，已经广泛应用于化工行业，但其反应条件通常比较苛刻，实现高选择性是很大的挑战。

多步催化反应的能耗和物耗高、且产率低，如果能在一个反应器、一个条件下同时完成，可以极大地降低能耗物耗，并且减轻分离纯化的压力。

能否结合酶与金属催化剂各自的优势，让金属催化在更加温和绿色的条件下进行，使得多步的酶催化和金属催化反应在一个反应器、一个条件下同时完成？

戈钧的研究证实，答案是肯定的。研究的挑战在于如何耦合二者，并且让金属和酶催化剂在相同的条件下高效配合起来。

2019年，戈钧作为通讯作者，在 Nature Catalysis 期刊上报道了一种脂肪酶-钯（Pd）复合催化剂[1]。这种复合纳米催化剂的制备原理较为简单，利用酶-聚合物的结合物作为前体物质，进行原位还原即可。

图 | 脂肪酶-钯纳米复合催化剂的结构示意图[2]（来源：Chinese Journal of Catalysis）

所合成的酶-金属复合催化剂中，Pd 颗粒的尺寸可调控至仅为 0.8 nm。更加值得关注的是，这种酶-金属复合催化剂展现出了优异的催化效果。在最适合脂肪酶的温度 55℃ 下，针对（S）-1-苯乙胺的外消旋化反应，催化剂的活性是商业催化剂钯/碳（Pd/C）的 50 倍。因此，和脂肪酶配合使用可以高效合成手性胺化合物。在其它一系列重要的药物中间体的合成中，酶-金属复合催化剂的性能也表现出色。

酶和金属催化剂强强联手，催生 1+1 大于 2 的协同催化新模式，相关专利技术已落地转化

上述研究中，合成药物中间体一共需要两步催化反应。第一步由酶来进行高选择性的催化，第二步则由 Pd 来进行催化反应。

但是，在前人的研究中，通常将两步反应分开进行或者是采用传统的催化剂，由于催化条件不匹配，效率非常低。相反，脂肪酶- Pd 复合催化剂，可以在一个条件温和的反应器里，使酶和 Pd 的催化效率同时都非常高，达到 “一锅”合成的目的。

“近期，我们在进行更有挑战性的一些工作，就是将金属 Pd 原子准确地结合到酶的活性位点附近，构造一个新的活性位点。通过酶结合底物的高选择性，提高金属催化反应的效率和选择性，为不对称催化带来新方法。”戈钧教授说道。

酶和金属的协同催化，借助于酶的特异性位点，再结合金属催化，形成新的人工活性位点。这种“二合一”新催化模式将进一步提升手性药物中间体的合成效率。

“将酶-金属复合催化剂应用到实际的合成过程，催化剂的大规模制备是前提，”戈钧补充称。

通过微液滴的原位还原和喷雾干燥，可以大批量地制备粉末催化剂。这种方法同时具有很好的通用性，可以根据需要替换具有不同功能的酶或金属。其中，复合催化剂的制备技术，已通过专利授权的方式服务于合成医药中间体和农药中间体的企业，应用于重要产品的合成。

金属有机框架 MOFs，酶的新一代保护壳

酶的选择性和活性毋庸置疑，然而，酶的结构是非常柔性的。

在脱离细胞环境之后，比如应用到工业催化、检测或者日化行业，酶的结构容易发生变化，从而失活。因此，利用材料对酶进行封装或包埋，可以提升其稳定性。

然而，事情没有想象中的简单。酶的结构非常丰富多样，分子大小、表面电荷、表面亲疏水性差别较大。因此，找到一种通用的方法或者材料来进行酶的封装以提高其稳定性是具有挑战性的。

戈钧课题组于 2012 年开始关注这一问题，在 Nature Nanotechnology 期刊发表论文最早提出利用无机晶体原位包埋酶分子[3]，并在 2014 年于 Nano Letters 期刊发表了论文[4]，率先提出利用特殊的无机晶体—金属有机框架材料 MOFs（Metal organic Framework）来原位封装酶分子。目前，这两篇论文分别被引用 600 多次和 500 多次。

图 | 利用 MOFs 原位封装酶分子（来源：Nano Letters）

利用 MOFs 进行酶的封装显示了其独特的优势。一方面，这种方法具有很好的普适性，可用于不同的酶体系。直接在酶分子的水溶液中，加入合成 MOFs 材料的前体物质，就可以在酶的周围自组装形成一个框架，从而将酶包裹其中。

另一方面，MOFs 材料封装酶之后，粒径可控，最小可以到 100nm 左右，且结构非常均一，这一特征非常适合高效的细胞递送。

图 | 无定形 MOFs -葡萄糖氧化酶的冷冻电镜三维重构图像（来源：Nature Communications）

在最近的研究中显示，无定形和缺陷型 MOFs 可以减小底物传质的限制，最大程度地维持酶的活性，这一有趣的发现发表在 Nature Communications[5] 和 Science Advances 期刊[6]。

通过冷冻电镜三维重构酶与 MOFs 复合颗粒内部的结构，他还发现了大量尺寸在 1 至 10nm 之间的贯穿孔道，这些介孔有利于反应物和酶的接触，使酶的活性可以基本达到原来没有被包埋的天然酶的活性。

MOFs 封装实现酶的高效细胞递送，联合基因检测，实现癌症早期诊断

不同的癌症和基因突变是千差万别的，但是，最后归结到癌细胞的代谢层次，则具有一定的相似性。利用酶催化癌症细胞中的特异性代谢物，并转化成具有荧光性的物质，就可以检测血液里的循环肿瘤细胞。

循环肿瘤细胞在血液中的数量是非常低的，可以达到 10 的 12 次方分之一。利用无定形的 MOFs 将设计好的酶分子递送到细胞里进行检测，其递送效率很高，因此可以实现极少的循环肿瘤细胞的检测。

在应用方面，戈钧已经与相关医院进行合作。通过针对不同癌症细胞（例如肺癌、乳腺癌等）的特征代谢物，利用封装的人工酶-金属复合催化剂检测癌症患者的实际血液样本，目前展现出非常好的灵敏度和特异性。

他表示：“未来，我们希望能够把它发展成为癌症液体活检的新方法，能够与现在的基因检测联用，在不明确癌症的情况下能够针对特征代谢物做一个更广谱的筛选，然后再和基因检测联合去解析癌症的具体情况。我们在往临床应用去推进。”

基于化学工程的酶编辑技术平台，应用前景广阔，甚至有望解决塑料污染

传统意义上，生物酶分子的改造，更多的是利用分子生物学的手段，改变蛋白质相对应的基因，改变氨基酸序列，从而提高其稳定性和活性。

戈钧的研究为酶的定向改造提供了全新的思路。其出发点是利用化学工程和材料化学的手段，以高分子、无机晶体、金属颗粒、金属单原子等作为基本的元件，来改造酶分子。化学和材料的手段是一种更加灵活广泛的方法，能够针对不同的应用需求而改造酶催化剂的结构与性能。

戈钧，他们最近将酶-金属复合催化剂的概念成功地迁移至抗菌领域。银（Ag）具有很好的广谱抗菌性能，比较高的生物相容性和安全性。但是，在日化行业和材料行业，对于银的用量有严格的限制。

通过酶和银的复合制剂，可以显著降低银的用量。从机理上，酶起到破坏细菌的细胞壁的作用，使得银可以更好地完成杀菌的作用。银的使用量仅为目前的商业化银系抗菌制剂的 1/10。根据国标进行第三方检测，复合制剂能达到长效的抗菌抗病毒效果。

酶的化学改造，前景远不止于此，甚至有望解决塑料问题。在团队最近的工作中，通过封装的方法让酶变得耐受高温，在聚酯塑料的高温加工过程中，把酶掺入高分子塑料中。这样，塑料完成生命周期进入环境中，例如海洋，便能够自己加速降解。这为解决海洋微塑料污染提供了一个全新的思路。

在碳达峰、碳中和的背景下，面向国家重大需求，利用生物酶和细胞进行绿色生物制造实现碳减排，是很重要的变革生产方式。酶在实际运用到工业催化过程时，如何去改造它，更稳定更好地发挥催化的功能，是应用层面非常关注的问题。

未来，化工生产的终极目标就是，让目前条件苛刻的催化反应，变得像自然界中的催化过程一样，悄无声息地完成。或许，基于化学工程技术改造酶催化剂是一个全新的机会。

前沿的交叉科学研究，可能来源于一次闲聊

戈钧本科和博士均毕业于清华大学，他的博后在斯坦福大学化学系理查德·杰尔（Richard Zare）教授课题组完成，主要在生物交叉研究中心进行实验工作。全校范围内与生物相关的老师，都可以在中心里面申请一个实验室，来做与生物交叉相关的研究内容。

图 | 斯坦福大学生物交叉研究中心 The James H. Clark Center（来源：斯坦福大学官网）

研究中心的地理位置也非常有意思，坐落于理学院、工学院和医学院中心的位置，而且整个建筑是透明的。很多人愿意穿过这个研究中心，看看别人的研究，通过交流很容易产生一些新成果。戈钧说，工学院、理学院的老师、医学院的医生，上下班路过经常会和我讨论闲聊，非常有意思，很好地促进了交叉研究。而在斯坦福做完博后研究，他回到母校清华任教至今。

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2、Cao, Y.; Ge, J.* Hybrid enzyme catalysts synthesized by a de novo approach for expanding biocatalysis. Chinese Journal of Catalysis 2021, 42, 1625-1633.

3、Ge, J.#; Lei, J.#; Zare, R. N.* Protein-inorganic hybrid nanoflowers. Nature Nanotechnology 2012, 7, 428-432.

4、Lyu, F.; Zhang, Y.; Zare, R. N.; Ge, J.*; Liu, Z.* One-pot synthesis of protein-embedded metal-organic frameworks with enhanced biological activities. Nano Letters 2014, 14, 5761-5765.

5、Wu, X.#; Yue, H.#; Zhang, Y.#; Gao, X.; Li, X.; Wang, L.; Cao, Y.; Hou, M.; An, H.; Gu, H.; Zhang, L.*; Li, S.*; Lou, W.; Ma, J.; Lin, H.; Fu, Y.; Wei, W.*; Zare, R. N.; Ge, J.* Packaging and delivering enzymes by amorphous metal-organic frameworks. Nature Communications 2019, 10, 5165.

6、Hu, C.#; Bai, Y.#; Hou, M.; Wang, Y.; Wang, L.; Cao, X.; Chan, C.-W.; Sun, H.; Li, W.; Ge, J.*; Ren, K.* Defect-induced activity enhancement of enzyme-encapsulated metal-organic frameworks revealed in microfluidic gradient mixing synthesis. Science Advances 2020, 6, eaax5785.