马萨诸塞州坎布里奇——麻省理工学院的研究人员通过模仿光合作用(植物用来生产糖的光驱动过程)设计了一种新型光催化剂，可以吸收光并用它来驱动各种化学反应。
这种被称为生物混合光催化剂的新型催化剂含有一种捕光蛋白，可吸收光并将能量转移到含金属的催化剂上。然后，该催化剂使用能量进行反应，这些反应可用于合成药物或将废物转化为生物燃料或其他有用的化合物。
“通过用光代替有害条件和试剂，光催化可以使制药、农用化学品和燃料合成更加高效和环保，”麻省理工学院化学副教授、新研究的资深作者 Gabriela Schlau-Cohen 说。
研究人员与普林斯顿大学和北卡罗来纳州立大学的同事合作，表明新的光催化剂可以显着提高他们尝试的化学反应的产率。他们还证明，与现有的光催化剂不同，他们的新催化剂可以吸收所有波长的光。
麻省理工学院研究生 Paul Cesana 是该论文的主要作者，该论文今天发表在Chem杂志上。
高能反应
大多数催化剂通过降低反应发生所需的能垒来加速反应。在过去 20 年左右的时间里，化学家在开发光催化剂——可以从光中吸收能量的催化剂方面取得了长足的进步。这使它们能够催化在没有额外能量输入的情况下无法发生的反应。
“在光催化中，催化剂吸收光能以达到更高的激发电子态。通过这种能量，它引入了反应性，如果所有可用的都是基态能量，那么这种反应性将是非常耗能的，”Schlau-Cohen 说。
这类似于植物在光合作用期间所做的事情。植物细胞的光合作用机制包括吸光色素，例如从阳光中捕获光子的叶绿素。然后将这种能量转移到其他蛋白质，这些蛋白质将能量存储为 ATP，然后该能量用于生产碳水化合物。
在以前关于光催化剂的工作中，研究人员使用一种分子来进行光吸收和催化。这种方法有局限性，因为大多数使用的催化剂只能吸收某些波长的光，并且不能有效地吸收光。
“当你有一个分子需要进行光收集和催化时，你不能同时优化这两件事，”Schlau-Cohen 说。“正是因为这个原因，自然系统将它们分开了。在光合作用中，有一个专门的架构，其中一些蛋白质进行光收集，然后将能量直接输送给进行催化的蛋白质。”
为了创造他们新的生物混合催化剂，研究人员决定模拟光合作用并将两种不同的元素结合起来：一种用于收集光，另一种用于催化化学反应。对于光收集成分，他们使用了一种在红藻中发现的称为 R-藻红蛋白 (RPE) 的蛋白质。他们将这种蛋白质连接到含钌催化剂上，该催化剂以前单独用于光催化。
Schlau-Cohen 的实验室与化学教授 Felix Castellano 领导的北卡罗来纳州立大学的研究人员合作，表明光捕获蛋白可以有效地捕获光并将其转移到催化剂上。然后，由化学教授、最近获得诺贝尔化学奖的大卫麦克米兰领导的普林斯顿大学研究人员测试了催化剂在两种不同类型的化学反应中的性能。一种是硫醇-烯偶联，将硫醇和烯烃连接起来形成硫醚，另一种是肽偶联后用甲基取代剩余的硫醇基团。
普林斯顿团队表明，与单独的钌光催化剂相比，新的生物杂化催化剂可以将这些反应的产率提高十倍。他们还发现，这些反应可以在红光照射下发生，这是现有光催化剂难以实现的，而且是有益的，因为它产生的不需要的副反应更少，对组织的损害更小，因此它有可能用于生物系统。
化学合成
研究人员说，这种改进的光催化剂可以用于使用本研究中测试的两种反应的化学过程。硫醇-烯偶联可用于创建用于蛋白质成像和传感、药物输送和生物分子稳定性的化合物。作为一个例子，它用于合成脂肽，可以更容易地摄取抗原疫苗候选物。研究人员测试的另一个反应是半胱氨酰脱硫，它在肽合成中有许多应用，包括可用于治疗 HIV 的药物 enfurvitide 的生产。
这种类型的光催化剂还可能用于驱动一种称为木质素解聚的反应，这可能有助于从木材或其他难以分解的植物材料中产生生物燃料。
研究人员现在计划尝试交换不同的光捕获蛋白质和催化剂，以适应各种化学反应的方法。
“我们做了一个原理证明，你可以将光收集和催化功能分开。现在我们想考虑改变催化部分和改变光捕获部分以扩展该工具包，看看这种方法是否适用于不同的溶剂和不同的反应，”Schlau-Cohen 说。
