作者:麻省理工学院莎拉·麦道
这种新型催化剂的示意图显示，颜料(红色)在任何波长下的光激发都会导致能量转移(绿色)，这可以催化反应
学分:麻省理工学院 麻省理工学院的研究人员通过模仿光合作用，即植物用来生产糖的光驱动过程，设计了一种新型光催化剂，它可以吸收光并利用光来驱动各种化学反应
这种新型催化剂被称为生物混合光催化剂，它含有一种光收集蛋白，可以吸收光并将能量转移到含金属的催化剂上
然后，这种催化剂利用能量进行反应，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
麻省理工学院化学副教授、这项新研究的资深作者加布里埃拉·施劳-科恩(Gabriela Schlau-Cohen)说:“通过用光取代有害的条件和试剂，光催化可以使药物、农用化学品和燃料的合成更加高效和环保。”
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著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保罗·塞斯纳是这篇论文的主要作者，这篇论文今天发表在《化学》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量屏障来加速反应
在过去20年左右的时间里，化学家们在开发光催化剂方面取得了长足的进步，这种催化剂可以从光中吸收能量
这使得它们能够催化没有额外能量输入就无法发生的反应
“在光催化中，催化剂吸收光能，进入更高的电子激发态
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，这种反应性将是非常高的能量消耗
这类似于植物在光合作用中所做的事情
植物细胞的光合作用机制包括吸收光的色素，如从阳光中捕获光子的叶绿素
然后这些能量被转移到其他蛋白质中，这些蛋白质将能量储存为ATP，然后这些能量被用来生产碳水化合物
在光催化剂的前期工作中，研究人员使用一种分子来完成光吸收和催化
这种方法有局限性，因为大多数使用的催化剂只能吸收特定波长的光，并且它们不能有效地吸收光
“当你有一个分子需要进行光收集和催化时，你不能同时为这两者进行优化，”施劳-科恩说
“正是因为这个原因，自然系统将它们分开
在光合作用中，有一个专门的结构，其中一些蛋白质进行光收集，然后将能量直接传递给进行催化的蛋白质
" 为了创造新的生物混合催化剂，研究人员决定模仿光合作用，将两种独立的元素结合起来:一种用于收集光，另一种用于催化化学反应
对于捕光成分，他们使用了一种在红藻中发现的叫做R-藻红蛋白的蛋白质
他们将这种蛋白质附着在一种含钌的催化剂上，这种催化剂以前曾单独用于光催化
Schlau-Cohen的实验室与由化学教授Felix Castellano领导的北卡罗来纳州立大学的研究人员合作表明，这种光收集蛋白可以有效地捕获光并将其转移到催化剂上
随后，由化学教授、最近获得诺贝尔化学奖的大卫·麦克米伦(David MacMillan)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化学反应中的性能
一种是硫醇-烯偶联，它连接硫醇和烯烃形成硫醚，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，与钌光催化剂相比，新的生物混合催化剂可以将这些反应的产率提高10倍
他们还发现，这些反应可以在红光照射下发生，这在现有的光催化剂中是很难实现的，而且是有益的，因为它产生的不必要的副反应更少，对组织的损伤更小，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被结合到化学过程中，这种化学过程使用了这项研究中测试的两种反应
硫醇-烯偶联可用于产生用于蛋白质成像和传感、药物递送和生物分子稳定性的化合物
作为一个例子，它被用于合成脂肽，可以使抗原疫苗候选物更容易被吸收
研究人员测试的另一种反应，半胱氨酰脱硫，在肽合成中有许多应用，包括生产一种可用于治疗艾滋病毒的药物enfurvitide
这种类型的光催化剂还可能被用来驱动一种叫做木质素解聚的反应，这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收集蛋白和催化剂，以使他们的方法适应各种化学反应
“我们做了一个原理证明，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光收集部分来扩展这个工具包，看看这种方法是否能在不同的溶剂和不同的反应中发挥作用，”Schlau-Cohen说
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