第一作者：Simon Burgener
通訊作者：Tobias J. Erb
通訊單位：馬克斯-普朗克研究所
研究要點：
介紹了未來構建仿生集成催化系統的五個關鍵步驟。
催化現狀
現今社會80%的產品與催化劑密切相關。然而，現代化學合成仍然主要是一個線性過程，多側重于設計和優化單一催化劑和反應，毫無疑問的會帶來時間、能量和資源消耗的增加，這使得許多化學合成過程成為一種經濟和生態上的浪費。
未來催化的發展方向
相比之下，生物合成在自然界是通過活細胞代謝網絡進行的，是高度集成的、自優化的多催化劑系統?？梢栽跍睾偷臈l件下，從可再生原料連續、自我改進、多步合成目標化合物。構建類似性能的催化系統是化學合成領域未來發展的方向。但是這種未來的催化系統具體是什么樣子的呢?我們怎樣才能達到與生物系統相近的集成性和催化效率呢?
研究成果
有鑒于此，馬克斯-普朗克研究所 Tobias J. Erb課題組結合目前化學、材料科學和合成生物學的發展，繪制了未來構建仿生集成催化系統的藍圖，以及需要采取的五個關鍵步驟。
圖1. 構建仿生集成催化系統的五個關鍵步驟
要點1. 新型催化劑的設計與實現
開發集成催化系統首先的挑戰是獲得高度專一性的催化劑，種類繁多的生物酶具有很大應用優勢。酶催化的可逆性有利于非天然生物合成反應的發展，內在混雜性使得酶可以定向進化，得到所需的催化功能，這為實現多步反應網絡提供必要的基礎材料。
圖2. 開發新的自然酶反應
要點2. 反應網絡的設計與實現
構建集成催化系統的下一個挑戰是將單一酶組合進復雜的反應網絡, 這個網絡可以使原料通過多步轉換成所需產物。不同酶的最佳反應條件不同，因此要對催化網絡不斷地再設計與優化。
要點3. 能源模塊驅動催化網絡
下一個挑戰是為已經構建好的復雜的反應網絡提供能量，使其發揮催化作用。對于不同的催化網絡系統，需要找到最合適的能源模塊。
要點4. 催化網絡的封裝和三維建造
第四步是在空間上限制它們，使它們能夠在不平衡的情況下運作。這使得催化系統能夠通過給定的反應網絡，在強大的熱力學驅動力和高通量下，實現連續運行，并使集成的催化系統能夠方便地從底物和產物中分離出來。
要點5. 進化升級
第五步也是最大的挑戰，是使這些系統具備自我復制和自我完善的能力。一種可行的方法是通過自上向下的方法將催化網絡轉移到活細胞的環境中。
小結
生物(技術)和化學的未來在于對復雜合成體系的構建和控制。從概念上和技術上來說，這兩個領域目前都在朝著創造具有類似生命特性的催化活性小模塊的方向發展。相信在不遠的將來，我們構建的集成催化系統，可以與自然進化的代謝網絡和當前化學的合成能力相競爭。
圖3. 關鍵性能指標對比
參考文獻及原文鏈接
Burgener, S., Luo, S., McLean, R. et al. A roadmap towards integrated catalytic systems of the future. Nat Catal 3, 186–192 (2020).
DOI: 10.1038/s41929-020-0429-x
https://doi.org/10.1038/s41929-020-0429-x
