on mpa-from-tpl="t" style="white-space: normal;">将单个金属原子锚定在酶上具有巨大的应用潜力，其可以产生具有高活性和选择性的混合催化剂，从而用于传统金属催化剂无法驱动的反应。基于此，清华大学戈钧教授、复旦大学Richard N. Zare和天津大学张麟教授（共同通讯作者）等人报道了一种光化学方法，并设计了一种共价结合的酶聚合物偶联物，在聚合物链上产生与金属单原子结合的碳自由基，以及酶表面的{attr}3229{/attr}酸。通过在Candida antarctic lipase B（CALB）上锚定单个钯（Pd）原子构建的半异质SACs（记为Pd1/CALB-P），Pd金属质量负载高达4.0%，同时保持Pd的原子分散，其可以高效的驱动烷基-烷基交叉偶联反应（alkyl-alkyl cross-coupling reactions）。其中，烷基-烷基键的合成是有机合成中最重要的键结构之一，在制药、材料和能源工业中有着广泛的应用。烷基-烷基交叉偶联反应不能被原始的天然脂肪酶催化，而传统的Pd催化剂只能在环境条件下以非常低的效率催化。在文中，Pd1/CALB-P在水溶液中和反应温度为25 °C下，催化1-溴己烷和B-n-hexyl-9-BBN的烷基-烷基交叉偶联反应时转化频率（turnover frequency, TOF）达到540 h-1，是传统催化剂Pd(OAc)2的300倍，密度泛函理论（DFT）计算发现，脂肪酶活性位点作为支架有效地与烷基链结合，形成多种非共价相互作用，稳定Pd-烷基链的过渡态，降低活化能。此外，酶的选择性结合为Pd催化提供了选择性。总之，原子分散的金属催化剂与酶的结合带来了许多设计催化剂的可能性，可以在环境条件下有效地催化难以实现的反应。原子分散的金属催化剂因其最大的原子效率和独特的催化性能，成为多相催化研究的一个热门前沿领域。因此，亟需构建具有高活性、选择性和稳定性的单原子催化剂（SACs），但是仍然面临着巨大的挑战性。将单个金属原子锚定在酶上，理论上可以将酶催化、均相催化和多相催化结合起来，为开发在环境条件下高效运行的混合催化剂提供了一个有前景的平台。借助酶活性袋（enzyme active pocket）对反应中间体的识别和结合能力，可以极大降低金属催化反应的活化能，从而大大提高金属催化的效率和选择性。将金属单原子锚定在酶上，可以成为传统金属催化剂难以催化的反应的理想催化剂。然而，酶与金属单原子催化剂的结合尚未实现，可能是因为蛋白质的灵活构型和较差的结合能力而不能稳定金属单原子。作者通过光化学方法实现了Pd在酶聚合物偶联物上的原子分散。具体而言，通过将酶与环氧丙烷和环氧乙烷的醛官能化三嵌段共聚物（Pluronic F-127）共价连接合成酶聚合物偶联物。在对含有酶pluronic偶联物、二苯甲酮（BP）和PdCl2的溶液进行20 min的紫外线处理后，Pd原子被捕获在酶pluronic偶联物上。通过调整Pd锚定脂肪酶pluronic偶联物（Pd1/CALB-P）合成中PdCl2的量，可将Pd的质量负载控制在高达4.0%（w/w）范围内，其中在每个CALB-P偶联物上锚定了16个Pd单原子。
通过密度泛函理论（DFT）计算，计算了酶Pluronic偶联物的六个潜在位点的结合能，这些位点可以提供两个O原子与PdCl2配位，包括 Asp、Asn、Ser、Ser-Ser、Ser-Asp和PEO链。带有负电荷羧基的Asp作为理想配体与PdCl2形成稳定的四配位结构。nanoESI-MS进一步研究发现，Asp和Ser残基最有可能是Pd单原子的结合位点。Pd单原子在酶上的稳定化机制包括三个步骤：1）PdCl2与酶氨基酸残基中的两个O原子结合生成PdCl2/CALB-P；2）在紫外线照射下，从pluronic中提取H形成烷基自由基；3）两个烷基自由基攻击Pd原子，除去Cl离子生成Pd1/CALB-P。
作者在25 °C水溶液中进行烷基-烷基交叉偶联反应，以评估Pd1/CALB-P的催化性能，其中Pd(OAc)2作为参考催化剂。在1-溴己烷和B-n-hexyl-9-BBN的偶联中，Pd1/CALB-P显示出比Pd(OAc)2高得多的活性。从初始活性计算，Pd1/CALB-P（33.8 h-1）的TOF是Pd(OAc)2（1.8 h-1）的19倍。同时，Pd1/CALB-P 在10次催化循环后仍保持75%的活性，表明具有良好的可重复使用性。基于分析和理论计算，作者确定了Asp223是将Pd单原子锚定在酶活性位点上的最可能残基，并计算出酶活性位点相邻Pd原子的TOF值高达540 h-1，是Pd(OAc)2的300倍。
Cooperative catalysis by a single-atom enzyme-metal complex.Nature Communications, 2022, DOI: 10.1038/s41467-022-29900-6.
https://doi.org/10.1038/s41467-022-29900-6.
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