曼彻斯特生物技术研究所 (MIB) 的研究人员展示了转基因酶如何利用可见光来驱动高度选择性的化学反应。

《自然化学》（2025）

这一突破可能带来更清洁、更高效的药品和其他重要化学品的生产方式，同时减少对刺激性化学品和有害紫外线 (UV) 的需求。

这一发现代表着光催化领域(利用光来驱动化学反应)的重大进步，展示了生物学和化学如何携手合作，为更安全、更环保的制造业开辟新的可能性。

用日常可见光代替有害紫外线

许多光驱动的化学过程依赖于紫外线和被称为“敏化剂”的化学辅助剂。敏化剂吸收紫外线并将能量传递给其他分子，从而驱动反应。MIB 先前的研究已将紫外线敏化剂选择性地引入蛋白质中，从而产生了比传统小分子敏化剂更高效、选择性更高、用途更广的光酶。

然而，这些紫外线驱动的光酶也有缺点：它们的光化学效率低，会损害精细的分子，并且经常产生不需要的副产品，因此限制了可能的反应范围。

为了解决这些问题，由安东尼·格林教授领导的绿色小组的丽贝卡·克劳肖博士和罗斯·史密森博士设计了一种含有不同类型的吸光分子(称为噻吨酮)的酶。

与传统的敏化剂不同，噻吨酮利用可见光起作用，这使得该系统不仅效率更高，而且更加环保，并能与工业照明条件兼容。该研究成果发表在《自然化学》杂志上。

受自然启发的设计提高了效率

通过将这些噻吨酮敏化剂直接嵌入酶中，科学家们创造了新的“光酶”，可以以惊人的速度和精度进行光能反应。

其中一种名为VEnT1.3的酶能够以显著提升的效率生成目标化学物质——完成超过1300个反应循环，并精确控制原子的排列。这种控制水平在制药过程中尤为重要，因为分子的三维形状可能决定是救命的药物还是无效或有害的物质。

这些新型光酶也为制造工艺开辟了新的途径，因为它们能够实现传统化学方法难以实现甚至无法实现的化学反应。例如，该团队开发了一种名为SpEnT1.3的第二种酶，它可以构建复杂的环状分子，即螺环β-内酰胺。这些分子是药物和其他高价值化学品的重要组成部分。

“我们已经证明，利用定制的光酶，利用安全的可见光为高难度的化学反应提供动力是可能的。这种方法有可能改变我们生产必需化学品的方式——减少浪费，降低能耗，并为从药品到先进材料等所有产品提供更安全、更可持续的生产方法。” Crawshaw 博士说道。

此外，光酶还能抑制小分子光催化中常见的不良分解途径。这些发现凸显了工程酶控制活性中间体命运的独特能力，其控制水平是传统催化剂无法企及的。

化学制造业更绿色的未来

这种基因编码方法的成功凸显了利用工程酶作为可见光光催化灵活平台的更广阔潜力。通过扩展遗传密码，加入像噻吨酮这样的新型敏化剂，研究人员可以对光酶支架进行微调，使其适用于更广泛的反应，从而缓解传统光催化剂带来的诸多限制。

这项研究还凸显了将基因工程、化学和生物学等不同领域的尖端科学结合起来解决实际问题的力量。通过扩展科学家用于构建酶的基因“工具包”，该团队可以设计这些生物催化剂，使其在正确的时间、正确的地点准确地发挥所需的作用。

这些进步最终可能促进设计能够以无与伦比的精度和效率进行复杂光化学转化的酶系统，从而使制药、农用化学品、材料科学等领域受益。

更多信息： Rebecca Crawshaw 等人，《可见光驱动的高效选择性能量转移光酶》，《自然化学》(2025)。期刊信息：《自然化学》