这种被称为生物杂化光催化剂的新分子，可提高用于制备药物及其他有用化合物的反应产率。
研究人员决定模仿光合作用，将两种不同的组成部分结合起来，制成这种新型生物杂化催化剂。
研究人员目前计划尝试换用不同的捕光蛋白和催化剂，以调整这一方法，使其适用于多种化学反应。
麻省理工学院的研究人员模仿光合作用——植物利用光驱动过程制造糖类——设计出一种新型光催化剂，能够吸收光并利用光驱动多种化学反应。
这种被称为生物杂化光催化剂的新型催化剂含有一种捕光蛋白，可吸收光并将能量传递给含金属的催化剂。随后，该催化剂利用这些能量进行反应，可用于合成药物，或将废弃物转化为生物燃料及其他有用化合物。
“用光取代有害的反应条件和试剂，光催化可以让药物、农用化学品和燃料的合成更高效、更环保，”麻省理工学院化学副教授、新研究的资深作者加布里埃拉·施劳-科恩（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，证明这种新型光催化剂能够显著提高他们所测试化学反应的产率。他们还证明，与现有光催化剂不同，这种新催化剂能够吸收所有波长的光。
麻省理工学院研究生保罗·切萨纳（Paul Cesana）是这篇论文的第一作者，论文于今日发表于《Chem》期刊。
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快反应。在过去约20年里，化学家在开发光催化剂方面取得了长足进展——这类催化剂能够吸收光能。借助光催化剂，他们可以催化那些没有额外能量输入便无法发生的反应。
“在光催化中，催化剂吸收光能，进入能量高得多的激发电子态。借助这些能量，它能够引发反应活性；如果只有基态能量，要实现这种反应就需要极高的能量投入，”施劳-科恩说。
为可持续发展融资
这与植物在光合作用中的过程类似。植物细胞的光合机制包括叶绿素等吸光色素，它们能够捕获阳光中的光子。随后，能量被传递给其他蛋白质，并以三磷酸腺苷（ATP）的形式储存；这些能量随后用于制造碳水化合物。
在此前的光催化剂研究中，研究人员使用单个分子同时完成光吸收和催化。这种方法存在局限，因为所用的大多数催化剂只能吸收特定波长的光，而且吸光效率不高。
“如果一个分子既要捕获光能又要催化反应，就无法同时针对这两项功能进行优化，”施劳-科恩说。“自然系统之所以将它们分开，正是这个原因。在光合作用中，存在一种专门的结构：一些蛋白质负责捕光，随后将能量直接传递给负责催化的蛋白质。”
为了制备这种新型生物杂化催化剂，研究人员决定模仿光合作用，将两种不同的组成部分结合起来：一种负责捕光，另一种负责催化化学反应。作为捕光部分，他们使用了一种名为R-藻红蛋白（RPE）的蛋白质，这种蛋白质存在于红藻中。他们将这种蛋白质连接到一种含钌催化剂上；该催化剂此前已被单独用于光催化。
施劳-科恩实验室与北卡罗来纳州立大学合作开展研究，该校化学教授费利克斯·卡斯特拉诺（Felix Castellano）领导了相关团队。研究显示，这种捕光蛋白能够有效捕获光并将其传递给催化剂。随后，由普林斯顿大学化学教授、近期诺贝尔化学奖得主戴维·麦克米伦（David MacMillan）领导的研究人员，测试了这种催化剂在两类不同化学反应中的表现。一类是硫醇-烯偶联反应，将硫醇与烯烃结合形成硫醚；另一类则是在肽偶联后，用甲基取代残留的硫醇基团。
普林斯顿团队显示，与单独使用钌光催化剂相比，这种新型生物杂化催化剂可将这些反应的产率提高至多十倍。他们还发现，在红光照射下也能发生这些反应。现有光催化剂难以实现这一点，而红光的优势在于产生较少的不必要副反应、对组织的损伤较小，因此有望用于生物系统。
化学合成
研究人员表示，这种改良的光催化剂可用于采用本研究所测试两种反应的化学工艺。硫醇-烯偶联反应有助于制备可用于蛋白质成像与传感、药物递送以及提高生物分子稳定性的化合物。例如，该反应可用于合成脂肽，或有助于抗原候选疫苗更容易被摄取。研究人员测试的另一种反应——半胱氨酸脱硫——在肽合成中有多种用途，包括生产恩夫韦肽（一种可用于治疗艾滋病病毒感染的药物）。
这种光催化剂也有望用于驱动一种名为木质素解聚的反应，这或有助于从木材或其他难以分解的植物材料中制取生物燃料。
研究人员目前计划尝试换用不同的捕光蛋白和催化剂，以调整这一方法，使其适用于多种化学反应。
“我们已经通过原理验证证明，捕光功能和催化功能可以分开。现在，我们希望探索如何改变催化部分和捕光部分，以扩展这套工具，看看这种方法能否适用于不同的溶剂和不同的反应，”施劳-科恩说。
这项工作作为仿生光升级化学（BioLEC）能源前沿研究中心的一部分获得支持，该中心由美国能源部科学办公室资助。
