模擬光合作用的光動力催化劑問世

科技日報北京11月15日電 （記者張夢然）美國麻省理工學院研究人員通過模擬光合作用，即植物用來生產糖分的光驅動過程，設計了一種可以吸收光並用光來驅動各種化學反應的新型光催化劑。該研究成果15日發表在《化學》雜誌上。

這種新型催化劑被稱為生物混合光催化劑，其含有一種採光蛋白，可吸收光並將能量轉移到含金屬的催化劑上。然後，這種催化劑利用能量進行反應，這些反應可用於合成藥物或將廢物轉化為生物燃料及其他有用的化合物。

研究資深作者、麻省理工學院化學副教授加布裏埃拉·施勞-科恩表示，光催化可使藥物、農用化學品和燃料合成更加高效和環保。研究表明，新型光催化劑可顯著提高他們嘗試的化學反應的產量，且與現有的光催化劑不同，新催化劑可吸收所有波長的光。

在之前進行的關於光催化劑的工作中，研究人員使用一種分子來進行光吸收和催化。該方法有侷限性，因為大多數使用的催化劑只能吸收某些波長的光。為了創建新催化劑，研究人員模擬光合作用並將兩種不同的元素結合起來：一種用於採集光，另一種用於催化化學反應。對於光采集部分，他們使用了一種在紅藻中發現的被稱為R-植物紅素的蛋白質。他們將這種蛋白質連接到含釕催化劑上，該催化劑以前曾被單獨用於光催化。

聯合展開研究的普林斯頓大學團隊測試了催化劑在兩種不同類型的化學反應中的性能。一種是硫醇—烯偶聯，將硫醇和烯烴連接起來形成硫醚，另一種是肽偶聯後用甲基取代剩餘的硫醇基團。

普林斯頓團隊的研究表明，與單獨的釕光催化劑相比，新的生物混合催化劑可將這些反應產量提高十倍。他們還發現，這些反應可在紅光照射下發生，這是現有光催化劑難以實現的，其對組織的破壞更小，因此有可能用於生物系統。

研究人員説，這種改進的光催化劑可被納入上述兩種反應的化學過程中。硫醇—烯偶聯可用於創建蛋白質成像、傳感、藥物輸送和生物分子穩定性所需的化合物。例如，它可用於合成脂肽，使新設計的抗原疫苗更容易被吸收。研究人員測試的另一種反應是西苯脱硫，它在肽合成中有許多應用，包括可用於生產艾滋病治療藥物恩夫韋地。

這種類型的光催化劑還可用於驅動一種被稱為木質素解聚的反應，有助於從木材或其他難以分解的植物材料中產生生物燃料。