人工光合作用介导的辅酶再生研究进展

黄子煜，王培仑，刘 旭，吕茂翠，黄晓文

(1. 齐鲁工业大学(山东省科学院)生物基材料与绿色造纸国家重点实验室，山东济南250353；2. 国网智能科技股份有限公司，山东济南250101；3. 齐鲁工业大学食品科学与工程学院，山东济南250353)

目前，随着人口增加及工业化快速发展，全球范围内出现三项亟待解决的严峻问题：能源危机、温室效应和粮食危机[1-8]，此三项问题相互关联，互相影响。由于天然气和石油等化石能源储量有限、不可再生，而社会对能源的需求与消耗递增，能源危机日渐明显。随着化石能源的消耗，CO2等气体的排放量持续上升，超出了地球的自净能力，引发温室效应。温室效应进而影响气候变化及植物生长，导致粮食产量下降。同时，由于人口数量增加，越来越多的土地、水资源和能源因工业发展和城市扩张被占用，农业用地严重不足，粮食产量不增反降，人类对粮食的需求无法被满足，粮食危机越发凸显。为解决此三项问题，科学家及各界人士在努力地寻求解决方案。一百年前，意大利化学家Ciamician极具前瞻性地提出人工光合作用的概念，并将相关想法发表在《Science》上[9]。目前，人工光合作用研究领域发展迅速，成为新的研究热点，有望解决以上三项问题[1-8]。顾名思义，人工光合作用是通过人工手段模拟自然光合作用(如植物、光合细菌中所进行的)，即利用太阳光、水和CO2合成碳水化合物，实现将太阳能转化为化学能的过程[10-11]。叶绿体是进行自然光合作用的典型代表，其内部堆叠着大量的类囊体。在类囊体膜上有两种整合蛋白，分别名为光合系统Ⅱ(PSⅡ)和光合系统Ⅰ(PSⅠ)。这两种蛋白通过吸收680和700 nm处的光，获取能量、产生光生空穴电子对，所产的空穴与电子可以参与水裂解、辅酶再生和CO2固定反应，图1描述了叶绿体和类囊体膜的组成与结构。尽管自然光合作用能实现从太阳能到化学能的转化，但植物的光能转换效率不到1%，而人工光合作用的转换效率远高于自然光合作用，目前人工光合作用太阳能-氢能转换效率可达12.3%[12]。同时人工光合作用可根据不同的需求合成所需产物，如H2、CO、CH4和烟酰型辅酶(NADP+/NAD+或NADPH/NADH)等[13-19]，具有较好的发展前景与应用价值。

图1 叶绿体[20](a)与类囊体膜[18](b)示意Fig.1 Schematic diagram of chloroplast[20] (a) and thylakoid membrane[18] (b)

根据产物不同，人工光合作用研究主要集中在光催化水裂解[21-22]、光催化CO2固定[23]和光催化辅酶再生[24]这三个方向。光催化水裂解产氢可代替化石能源成为清洁、高效且可再生的能源；光催化CO2固定，不仅可消耗环境中过量的CO2以抑制温室效应，其催化产物(如CO、CH4等)还可作为燃料加以利用；植物合成碳水化合物主要依赖于卡尔文循环(Calvin cycle)，其中涉及辅酶参与的多步还原反应，以维持循环顺利进行。因此，辅酶是光驱动碳水化合物合成的关键。光催化辅酶再生可利用人工合成的高效材料吸收光能进行辅酶再生，配合卡尔文循环，固定大气中的CO2进行碳水化合物的合成，以改善粮食危机[21-23,25-41]。与此同时，辅酶作为氧化还原反应中关键的参与要素，在大部分利用氧化还原酶的工业生产中需求巨大。然而由于辅酶生产和提纯成本之高，氧化还原酶类在工业生产上的应用受到极大阻碍。因此，人工光合作用辅酶再生是降低反应成本、解决辅酶实际应用瓶颈的重要手段。

本文中，笔者系统阐述利用人工光合作用进行烟酰型辅酶再生的研究进展，包括人工光合作用烟酰型辅酶再生的机制，用于烟酰型辅酶再生的人工光合系统的研究现状，并简述了人工光合作用氧化还原辅酶再生领域的未来趋势。

1 人工光合作用与辅酶再生的机制

1.1 人工光合作用机制

人工光合作用是一个非自发反应，需要有外部能量的供给才能发生反应。人工光合系统组成主要包括：光催化材料(对应自然光合作用的光合反应中心)和反应底物(对应自然光合作用的H2O和氧化态辅酶等)，而根据反应中电子传递的需要，人工光合系统中有时也会加入电子传递体，以促使光生电子从吸光材料传递至反应底物。

人工光合系统中光催化材料以半导体(SC)为主，可吸收适量的光子(hv≥E0，h是普朗克常量，v是光的频率，E0是半导体光催化剂的能隙)获得能量使电子与空穴分离，产生光生电子与光生空穴。其中，光生电子获得能量跃迁至导带，光生空穴留在价带。光生电子会移动到表面活性位点进行表面氧化还原反应[13]。电子移动到光催化剂表面时，如果没有立即参与氧化还原反应，则会产生与光生空穴重新结合的趋势，导致这些电子被浪费[42-44]。人工光合作用过程包括：①载流子的生成(如，电子和空穴)。②载流子的分离和传输。③表面物质与载流子的化学反应[45-47]。

典型的几种人工光合作用反应：光催化水裂解，CO2光还原和辅酶再生,其化学反应历程见式(1)～(10)。

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式(1)表示光生空穴电子对的组合，式(2)和式(3)描述水裂解的过程，而式(4)～(9)表示CO2还原过程，式(10)是典型的NAD+再生过程。

1.2 人工光合系统设计及分类

根据人工光合作用的机制，研究人员开发了多种材料，用以提高光催化的效率。单一组分光催化材料因合成简单常常用于构建不同的人工光合系统。而最理想的光催化材料应该具有光谱吸收范围广、稳定性持久、光生电子与空穴快速分离、氧化还原能力强等特点。但是实际上，单一组分的光催化材料很难同时具有上述的优点，其实际应用由于以下两个因素受到极大的限制：一是可利用的光子能量必须比光催化材料的能隙大；二是反应底物的氧化还原势能要处于光催化剂的导带以下和价带以上的位置。事实上，限制光催化材料性能的两个因素是相互矛盾的：光催化材料的能隙越小，对太阳光的吸收范围越广；光催化剂的导带与价带之间的能隙越大越有利于底物进行氧化还原反应，但是会导致光催化材料对太阳光的吸收范围缩小。因此，单一组分的光催化材料是很难同时拥有宽泛的光吸收范围和强劲的氧化还原能力。此外，单一组分的光催化所产生的光生电子与光生空穴十分容易进行重新结合，这会导致太阳能的利用效率严重降低[48-49]。

通过将两种光催化材料进行结合，构建异构结光催化系统(heterojunction-type photocatalytic system)(图2(a))，是一种有效解决手段。该系统中的两种光催化材料分别命名为人工光合系统Ⅰ(APSⅠ)和人工光合系统Ⅱ(APS Ⅱ)。在光照条件下，APS Ⅰ导带所产生的光生电子会聚集到APS Ⅱ的导带上。同时，APSⅡ价带所产生的光生空穴会移动到APS Ⅰ的价带上[50-53]。因此，在此系统中，光生电子与光生空穴得到良好的分离，从而减少了两者复合的几率，实现高效的载流子分离。但是，该系统中光生电子与光生空穴的氧化还原能力较弱。因此需要开发另一种光催化系统，实现一个系统同时具有高效载流子分离与强氧化还原能力。

CB—导带；VB—价带；APS Ⅰ—人工光合系统Ⅰ；APS Ⅱ—人工光合系统Ⅱ；A—电子受体；D—电子供体；p-n junction—PN接面； e-—光生电子；h+—光生空穴图2 异构结(a)与Z-scheme(b-d)中载流子传递示意Fig.2 Schematic diagrams of heterojunction(a) and Z-scheme systems(b-d)

基于以上机制，人工光合作用辅酶再生是以半导体材料吸收光后产生的光生电子为驱动力，选择性地实现NAD+中C4的氢化还原，获得还原性辅酶NADH[43]。还原性辅酶可耦联多种氧化还原酶进行酶促反应，生成相应的目标产物(如甲酸、甲醇等)。

2 用于辅酶再生的人工光合系统的研究进展

近年来，越来越多的研究者致力于开发新型光催化材料，以构建更为高效的人工光合系统进行辅酶再生。其中，亦有研究者将微生物与人工光合系统创新性地结合，利用光能驱动微生物内辅酶再生，进行高价值化合物合成。这些研究工作都取得了不错的成果。

2.1 基于不同材料的人工光合系统构建及其应用

2.1.1 基于石墨氮化碳(g-C3N4)衍生物的人工光合系统构建

基于石墨氮化碳(g-C3N4)衍生物的人工光合系统在辅酶再生研究中表现出了优异的性能。Zeng等[66]通过超声辅助水热法制备了非均相WS2/g-C3N4复合光催化剂(图3)。由于WS2与g-C3N4之间形成异质结界面，在可见光照射下，光生电子可以从g-C3N4的导带转移到WS2上，由此减少光生电子与光生空穴的复合率，提高光捕获效率。该课题组合成了一系列WS2/g-C3N4复合光催化剂，其中含有(质量分数)5%WS2的WS2/g-C3N4复合光催化剂表现出最高的辅酶再生效率。这种异构结光催化系统使得g-C3N4的光生电子在与光生空穴复合之前转移到WS2的导带上，从而有效地提高了光生电子与光生空穴的利用率。

图3 以WS2/g-C3N4复合光催化剂构建人工光合 系统进行辅酶再生和甲醇合成[66]Fig.3 WS2/g-C3N4 as artificial photosynthesis system for NADH regeneration and methanol synthesis[66]

Wu等[67]以g-C3N4为基础构建了4种人工光合系统。①通过煅烧Fe3+/多酚包覆的三聚氰胺，获得g-C3N4@α-Fe2O3/C核壳光催化剂。此光催化剂在g-C3N4内核上原位形成含有α-Fe2O3和碳的纳米壳。其中，α-Fe2O3具有卓越的可见光吸收能力，C提供优越的电子传导性，同时α-Fe2O3/C纳米壳与g-C3N4有良好的界面相容性。基于Z-Scheme的机制，此人工光合系统具有很好的载流子生成和传输能力。②以红磷量子点修饰的石墨氮化碳中空管作为异构结光催化剂(g-C3N4-HTs@rP-QDs)，构建可见光驱动的辅酶再生人工光合系统[68]。此系统耦联醇脱氢酶进行甲醛加氢反应，实现甲醇可持续生产。在这项研究工作中，NADH再生与酶促加氢反应之间表现出良好的协同作用，表明此人工光合系统与各种光酶耦联催化整合的可能性。③在人工光合海藻酸盐胶囊中，使用红磷量子点修饰的g-C3N4管式光催化剂和醇脱氢酶构建人工光合系统进行辅酶再生，并且以甲醛为底物可持续的合成甲醇[69](图4)。④通过硫化镉(CdS)量子点修饰鱼精蛋白-TiO2微胶囊的内壁，构建人造类囊体进行人工光合作用辅酶再生[70]。人工类囊体耦联单酶或多酶进行化合物合成。胶囊壁尺寸选择性的特点可将光催化氧化和生物催化还原两个反应分开，使反应有序进行并保护酶免于失活。此系统在可见光照射下，辅酶的再生产率可达93%，并实现了利用单酶或多酶持续合成甲酸或甲醇。这种人工类囊体因坚固、易于回收和高效，在实际应用中有很好的发展前景。

Meng等[71]开发了一种噻吩修饰的双壳空心g-C3N4纳米球，以这种纳米球为光催化材料构建人工光合系统进行辅酶再生(图5)，在甲醛脱氢酶(FDH)的协助下持续产出甲酸，其中辅酶再生产率可达74%。在此系统中，多孔的双壳结构促进了载流子的分离，噻吩基团的修饰提高了光吸收和载流子分离的能力。这项研究工作所采用的策略有望激发更高效率的人工光合系统的进一步发展。

2.1.2 基于卟啉(TCPP)衍生物构建的人工光合系统

卟啉是一种优异的光敏剂，在构建人工光合系统中也表现出了优异的性能。Ji等[72]利用顺序酰胺化反应将卟啉、曙红Y(EYx)和[Cp*RhCl2]2合成TCPP/EYx/Rh8-x大分子。通过非共价相互作用使这种大分子自组装成模拟光合细菌绿小体的超分子组装体。基于这种超分子组装体构建的人工光合系统可获得91%的辅酶再生产率。另外，基于一种表面整合了酶与辅酶的卟啉/SiO2/Cp*Rh(bpy)Cl杂化纳米结构构建了一个模拟叶绿体的生物催化人工光合系统[73]，该系统可利用CO2合成甲酸。该系统的辅酶再生产率可达75%。此生物催化人工光合系统可方便地回收昂贵的电子媒介、酶和辅酶。这种叶绿体模拟模型的概念有望促进基于生物模拟的人工光合系统设计的发展，同时为实现利用太阳能获取可持续能源提供可能性。Wang等[74]以卟啉作为光敏剂，将卟啉固定在由聚多巴胺和聚乙烯亚胺包覆的含硫醇的SiO2微球上，构建一个用于辅酶再生的人工光合系统，在最适条件下，该人工光合系统反应60 min可获得81.5%的辅酶再生产率。

TEOA—三乙醇胺；ADH——醇脱氢酶图4 在人工光合海藻酸盐胶囊中构建人工光合系统进行辅酶再生及甲醇合成[69]Fig.4 Construction of artificial photosynthesis system in artificial photosynthetic alginate capsules for coenzyme regeneration and methanol synthesis[69]

图5 利用噻吩修饰的双壳空心g-C3N4纳米球构建人工光合系统进行辅酶再生及甲酸合成[71]Fig.5 Double shell hollow g-C3N4nanospheres as artificial photosynthesis system for NADH regeneration and formic acid synthesis[71]

2.1.3 基于其他光催化材料构建的人工光合系统

Yadav等[75]通过非离子表面活性剂的反相微乳液法制备了一种碳纳米点与SiO2杂化光催化剂，并以此光催化剂构建了一个光催化剂-生物催化剂耦联系统。该系统辅酶再生产率可达74%。此研究工作为合成碳纳米点与SiO2杂化光催化剂提供了一种简单而环保的途径，可以利用太阳能选择性由CO2来产生化合物。

Pan等[76]通过在液/液界面聚合三嗪、吡嗪和吡啶单体合成含有不同氮含量的2D N-GDY,利用N-GDY构建的人工光合系统在可见光的驱动下，辅酶再生产率达到35%。这种光催化材料合成的策略为设计独特的2D N-GDY提供了新的思路，使该种材料在生物相关催化中具有可调节性。随后，该课题组成功利用Knoevenagel缩合反应制备基于三嗪结构的全共轭sp2-碳2D共价有机框架材料(2D COF)[77](图6)。这种新型sp2-碳共轭COF有良好的结晶性和高共轭性。利用这种COF构建的人工光合系统表现出前所未有的辅酶再生效率，可以显著提高辅酶介导的L-谷氨酸的合成，仅需12 min便可突破性地实现97% L-谷氨酸的产率，为辅酶高效再生提供了一个全新材料，并拥有良好应用前景。

GDH—谷氨酸脱氢酶；M—电子媒介图6 利用2D COF构建人工光合系统进行辅酶再生及L-谷氨酸合成[77]Fig.6 2D COF as artificial photosynthesis system for NADH regeneration and L-glutamate synthesis[77]

2.2 光催化材料与微生物杂化人工光合系统

Sakimoto等[78]将硫化镉(CdS)纳米颗粒沉积在Moorellathermoacetica表面上构建光催化材料与细菌组合的人工光合系统(图7(a))。其中，硫化镉纳米颗粒作为光敏剂进行辅酶再生，促进细菌产生乙酸。随后，用生物相容性更好的金纳米团簇代替有毒的硫化镉纳米颗粒，使细菌吸收金纳米团簇，构建一个更优的光催化材料与细菌组合的人工光合系统[79](图7(b))。此系统比前者具有更高的辅酶再生产率和乙酸产量。这两项研究实现了利用微生物构建人工光合系统进行辅酶再生和化合物的生物合成。

Cys—胱氨酸；CySS—半胱氨酸；AuNCs—金纳米团簇图7 硫化镉纳米颗粒-细菌杂化系统[78](a)和金纳米团簇[79](b)与Moorella thermoacetica 构建微生物杂化人工光合系统进行辅酶再生和乙酸合成Fig.7 Moorella thermoacetica-Cds[78] (a) and Bacterium AuNC hybrid system[79] (b) for NADH regeneration and acetic acid synthesis

Guo等[80]利用磷化铟纳米颗粒与经基因改造的酵母菌组合构建一个光驱动酵母菌杂化人工光合系统(图8)。此系统利用磷化铟纳米颗粒进行辅酶再生，以促进该酵母菌莽草酸的合成。此研究成功实现利用人工光合作用结合微生物合成复杂化合物。

图8 利用磷化铟纳米颗粒与基因工程改造的酵母菌构建光驱动酵母菌杂化人工光合系统[80]Fig.8 A hybrid system that consists of indium phosphide nanoparticles and engineered Saccharomyces cerevisiae[80]

2.3 以微流控为平台构建的人工光合系统

除上述催化材料或人工光合系统改进之外，亦可利用微流控芯片作为反应器构建高效人工光合系统。微流控芯片是近些年的重点发展方向，涉及物理学、化学、微加工和生物学等学科，具有高比表面积、高扩散速度、多通道、耗样少、节约成本等特点，在疾病诊断、药物筛选、生物合成及化学反应领域有巨大的潜在应用。通过与微流控芯片结合，人工光合系统可获得微流控反应器的优势，并利用其高比表面积、扩散距离短、物质传递速率快等优点提高再生效率[18,81]。具体来说，高比表面积促进光催化材料进行光反应，使光催化材料产生更多的光生电子和光生空穴。较短的扩散距离和较快的物质传递速率可使电子媒介与光催化材料、反应底物与电子媒介的接触几率增大，加快光生电子与光生空穴从光催化材料转移到反应底物的过程，实现反应产物产率上升。因此，以微流控芯片为平台构建的人工光合系统可实现更高的辅酶再生效率。

Lee等[82]在光流控芯片中利用量子点和氧化还原酶构建了一个光流控人工光合作用平台，以进行光-酶合成反应(图9)。芯片通过一个阀门把微管道分开成两部分，位于上游的微管道模拟光反应部分进行辅酶再生，位于下游的微管道模拟暗反应部分用于酶促合成反应。这项研究工作为模拟自然光合作用过程的可持续集成采光系统提供了新的思路。Huang等[18]报道了一种新型的一步法制作一种基于芯片的光流控人工光合系统，此微流控芯片由于比表面积高、物质扩散距离短和光在芯片中辐射均匀，辅酶再生的速率显著提高。

CdSe QD—硫化硒量子点图9 利用量子点与氧化还原酶构建用于光-酶合成的 光流控人工光合作用平台[82]Fig.9 Microfluidic APS platform that incorporates quantum dots and redox enzymes for photoenzymatic synthesis[82]

3 总结与展望

人工光合作用旨在模拟自然光合作用、高效利用太阳能产生有价值的产物，在解决能源危机、温室效应和粮食短缺等全球性问题上具有巨大潜力。在模拟自然光合作用产生碳水化合物方面，其最关键的步骤在于辅酶再生。为了提高辅酶再生的效率，研究人员主要开发了两种类型的高效人工光合系统，分别为异构结和Z-scheme系统，是迄今为止最重要的研究成果。基于这两类型的系统，研究人员开发出了各种各样能提高光催化效率的材料。另外，利用光催化材料与微生物构建的杂化人工光合系统的研究也取得不错的进展。因此，随着光催化材料、人工光合系统、反应平台的发展，人工光合作用辅酶再生的效率将得到极大的提高，有望在氧化还原酶参与的诸多领域中发挥重要的作用，为人类工业化生产创造巨大的价值。

今后十年，研究方向将集中于新型光催化材料的合成与人工光合系统组合的研究。值得注意的是，很多超分子金属配合物表现出卓越的可见光吸收能力、结构可控和适宜的氧化还原电位，有可能代替固态半导体作为人工光合系统。人工光合作用辅酶再生的研究将会继续蓬勃发展。开展这方面研究工作可以更深入了解自然界光合作用的机制和扩大太阳能的应用范围，同时促进化学与生物学的交叉学科发展，推动人工光合作用在更多生物合成领域的发展与应用。