清华教授突破酶和金属催化剂的“次元壁”，药物中间体可高效合成
本质上，催化剂主要分为酶、金属和有机小分子。 其中，因获得2021年诺贝尔奖而备受关注的有机小分子催化剂的最初想法是提取酶催化的活性位点，即氨基酸，以实现高效的不对称催化。
突破酶与金属催化剂之间的“次元壁”，复合催化剂实现药物中间体高效合成
不同类型的催化剂有不同的应用范围、优缺点。 酶来源于大自然，用于天然合成过程，可以在绿色、温和的条件下发挥高效的催化作用。 酶也具有高度选择性。 酶通常只能特异性识别一种类型的底物。 因此，反应底物的选择范围也较窄。 广谱、高效的金属催化剂在化学工业中得到了广泛的应用，但其反应条件通常比较苛刻，实现高选择性是一个巨大的挑战。
多步催化反应能耗、物耗高，收率低。 若能在一台反应器、一种条件下同时完成，可大大降低能源、物耗，减轻分离纯化的压力。
能否将酶和金属催化剂各自的优势结合起来，让金属催化在更温和、更绿色的条件下进行，从而在一个反应器、一种条件下同时完成多步酶催化和金属催化反应？
葛俊的研究证实答案是肯定的。 研究挑战是如何将两者耦合起来，使金属和酶催化剂在相同条件下有效地协同工作。
2019年，葛军作为通讯作者在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比较简单。 它只需使用酶-聚合物组合作为前体物质并进行原位还原即可。
图| 脂肪酶-钯纳米复合催化剂结构图[2]（来源：）
在合成的酶-金属复合催化剂中，Pd颗粒的尺寸可以控制在仅0.8 nm。 更值得注意的是，这种酶-金属复合催化剂表现出优异的催化效果。 在脂肪酶的最佳温度 55°C 下，该催化剂对于 (S)-1-苯乙胺的外消旋反应的活性比商用催化剂钯/碳 (Pd/C) 高 50 倍。 因此，与脂肪酶结合使用可以有效合成手性胺化合物。 在其他一系列重要医药中间体的合成中，酶-金属复合催化剂也表现良好。
酶与金属催化剂强强联手，开创了1+1大于2的协同催化新模式，相关专利技术已投入实践。
上述研究中，药物中间体的合成总共需要两个催化反应。 第一步，酶进行高选择性催化，第二步，Pd 进行催化反应。
然而，在以往的研究中，两步反应通常是单独进行或使用传统催化剂。 由于催化条件不匹配，效率很低。 相反，脂肪酶-Pd复合催化剂可以在条件温和的反应器中同时使酶和Pd的催化效率非常高，达到“一锅法”合成的目的。
“最近，我们正在做一些更具挑战性的工作，那就是在酶活性位点附近精确地结合金属Pd原子，构建新的活性位点。通过酶结合底物的高选择性，提高了金属Pd原子的效率和选择性。催化反应为不对称催化带来了新的方法。”葛军教授说。
酶与金属的协同催化依靠酶的特定位点并与金属催化相结合形成新的人工活性位点。 这种“二合一”的新型催化模式将进一步提高手性药物中间体的合成效率。
“要将酶-金属复合催化剂应用于实际合成过程，催化剂的大规模制备是先决条件。”葛军补充道。
通过微滴的原位还原和喷雾干燥可以大量制备粉末催化剂。 这种方法的通用性也很强，可以根据需要替代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，应用于合成医药中间体、农药中间体的企业重要产品的合成中。
金属有机框架MOFs，新一代酶的保护壳
酶的选择性和活性是毋庸置疑的，然而酶的结构却非常灵活。
酶脱离细胞环境后，如应用于工业催化、检测或日化行业时，其结构容易发生变化，从而失去活性。 因此，使用材料封装或嵌入酶可以提高其稳定性。
然而，事情并不像想象的那么简单。 酶的结构非常丰富多样，分子大小、表面电荷、表面亲水性和疏水性差异较大。 因此，找到一种通用的方法或材料来封装酶以提高其稳定性具有挑战性。
葛俊课题组从2012年开始关注这一问题，并首次在期刊上发表论文提出利用无机晶体原位嵌入酶分子[3]。 2014年，他们在Nano杂志上发表论文[4]，首次提出使用特殊的无机晶体——金属有机骨架材料MOFs（Metal）来原位封装酶分子。 目前，这两篇论文分别被引用超过600次和500次。
图| 使用 MOF 原位封装酶分子（来源：Nano）
使用MOFs进行酶封装显示出其独特的优势。 一方面，该方法非常通用，可以用于不同的酶系统。 通过将合成MOFs材料的前体材料直接添加到酶分子的水溶液中，可以在酶周围自组装出框架，将酶包裹在其中。
另一方面，酶被封装在MOFs材料中后，粒径可以控制，低至100 nm左右，而且结构非常均匀。 这一特性非常适合高效的细胞递送。
图| 非晶MOFs-葡萄糖氧化酶的冷冻电镜三维重建图像（来源：）
最近的研究表明，无定形和有缺陷的 MOF 可以减少底物传质限制并最大限度地提高酶活性。 这一有趣的发现发表在[5]和期刊[6]中。
通过三维冷冻电子显微镜重建酶-MOFs复合颗粒的内部结构，他还发现了大量尺寸在1至10nm之间的通孔。 这些介孔有利于反应物与酶的接触，使酶活性基本达到原来不存在嵌入的天然酶活性。
MOFs封装可实现酶的高效细胞传递，结合基因检测，实现癌症的早期诊断
不同的癌症和基因突变有很大不同，但最终归结到癌细胞的代谢水平上，它们却有一定的相似之处。 通过利用酶催化癌细胞中的特定代谢物并将其转化为荧光物质，可以检测血液中的循环肿瘤细胞。
血液中循环肿瘤细胞的数量非常低，达到十分之一的12次方。 无定形 MOF 用于将设计的酶分子传递到细胞中进行检测。 递送效率非常高，因此可以实现对极少数循环肿瘤细胞的检测。
在申请方面，葛军已经与相关医院进行了合作。 通过针对不同癌细胞（如肺癌、乳腺癌等）的特征代谢物，采用封装的人工酶-金属复合催化剂来检测癌症患者的实际血液样本，目前表现出非常好的敏感性和特异性。
他说：“未来，我们希望将其发展成为一种癌症液体活检的新方法，可以与目前的基因检测相结合，在癌症不清楚的情况下，对特征代谢物进行更广泛的筛选，然后再结合起来通过基因检测来分析癌症的具体情况，我们正在向临床应用迈进。”
基于化学工程的酶编辑技术平台应用前景广阔，甚至可能解决塑料污染
传统上，生物酶分子的改造更多依靠利用分子生物学的方法，改变蛋白质对应的基因，改变氨基酸序列，从而提高其稳定性和活性。
葛俊的研究为酶的靶向转化提供了新思路。 其出发点是利用化学工程和材料化学的方法，以聚合物、无机晶体、金属颗粒、金属单原子等为基本成分来改造酶分子。 化学和材料方法是一种更加灵活和广泛的方法，可以修改酶催化剂的结构和性能以满足不同的应用需求。
葛军最近成功地将酶-金属复合催化剂的概念转移到抗菌领域。 银（Ag）具有良好的广谱抗菌性能、较高的生物相容性和安全性。 但在日化行业和材料行业，对白银的使用量有严格的限制。
通过酶与银的复合制备，可以显着降低银的用量。 从机理上讲，酶起到了破坏细菌细胞壁的作用，让银更好地完成杀菌效果。 银的用量仅为目前市售银基抗菌制剂的1/10。 根据国家标准进行第三方检测，该复方制剂可达到长效抗菌、抗病毒作用。
酶的化学修饰的前景远不止于此，甚至可能解决塑料问题。 在该团队最近的工作中，通过封装方法使酶能够承受高温，并在聚酯塑料的高温加工过程中将酶融入到聚合物塑料中。 这样，塑料完成生命周期并进入海洋等环境后，可以加速自身降解。 这为解决海洋微塑料污染提供了新思路。
在碳达峰、碳中和的背景下，响应国家重大需求，利用生物酶和细胞进行绿色生物制造，实现碳减排，是生产方式非常重要的变革。 当酶实际应用于工业催化过程时，如何对其进行改造，使其能够更稳定、更好地发挥其催化功能，是应用层面非常关心的问题。
未来，化学生产的最终目标是让目前严酷的催化反应像自然界的催化过程一样安静地完成。 或许，基于化学工程技术改造酶催化剂是一个新的机遇。
前沿的跨科学研究或许源于一次闲聊
葛军毕业于清华大学，获学士、博士学位。 他的博士后是在斯坦福大学化学系理查德·扎尔（Zare）教授的研究小组完成的，主要在研究中心进行实验工作。 全校生物相关教师可以申请中心实验室，进行生物相关研究。
图| 斯坦福大学生物交叉研究中心James H. Clark（来源：斯坦福大学官网）
研究中心的选址也很有趣。 它位于理学院、工程学院和医学院的中心，整个建筑是透明的。 很多人愿意通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的成果。 葛军说，工学院、理学院的老师、医学院的医生下班路过时经常和我聊天，很有趣，也很好地促进了交叉研究。 在斯坦福大学完成博士后研究后，他回到母校清华大学任教。
参考：
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2. 曹宇; Ge, J.* 从头开始 . 2021 年，42，1625-1633。
3. 葛杰.#; 雷，J.#； 扎尔，注册护士* - . 2012 年，7，428-432。
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6.胡，C.#； 白Y.#； 侯，M。 王，Y。 王L.； 曹X。 陈，C.-W.； 孙，H.； 李，W。 葛，J.*； Ren, K.* - 金属 - 中。 2020年6月.