光生物催化是光催化与生物催化交叉的新兴领域，通过将生物催化剂的特异性与光催化的能源效率相结合，推动了跨学科的创新，开辟了通过传统方法无法实现的新反应途径。这种协同作用不仅推动了我们对光驱动和酶促过程的理解，还符合绿色化学的原则，有助于减少能耗和废物产生，并利用太阳能驱动化学反应，降低对化石燃料的依赖。然而，这些主张常缺乏有力证据，因此建议在学术研究初期进行半定量评估，以提供有价值的见解并指导后续研究，避免过于简化和未经证实的可持续性和工业适用性声明。
关于生物催化的一个常见误解是其高成本，主要是因为酶的价格昂贵。然而，酶的生产成本与发酵规模密切相关，大规模生产可以显著降低成本。此外，生物催化剂的形式对成本也有影响，例如使用全细胞可以最小化处理步骤，是最具成本效益的方法，而酶的纯化则会显著增加成本。因此，在考虑酶的生产和使用时，需要综合考虑生产成本和催化剂的效力，以降低最终产品的生产成本（图1）。
Tufvesson、Woodley及其同事划分了工业领域，如制药业、商品与精细化学品以及大宗化学品，每个领域都有不同的产品成本结构。表1总结了各领域典型的产品成本、允许的催化剂成本贡献以及催化剂的最低性能标准。尽管这些数据提供了对生物催化转化商业可行性的初步理解，但还需考虑其他不易察觉的因素。例如，Evonik通过酶促方法取代传统的路易斯酸催化的脂肪酸与脂肪醇酯化反应，将反应温度从180℃降至60℃，避免了热副反应，简化了合成和后续处理流程，降低了成本和环境影响（图2）。
另一种普遍的先验假设是生物催化和光催化本质上是环保的技术。生物催化常因其温和的反应条件和可再生性被视为环保，而光催化则因利用太阳能被认为具有环境友好性。尽管这两种技术在实现更可持续的化学合成方面确实有潜力，但需要对其进行严格审查。催化剂的合成历史对其环境影响有重要影响，复杂且资源密集的合成过程会增加催化剂的环境足迹。Jessop提出可以通过比较合成步骤数来评估资源消耗的强度。研究显示，中孔硅酸盐的环境足迹最小，而有机催化剂和过渡金属均相催化剂由于有机配体的复杂合成，环境足迹最大。这种分析提醒我们对生物和有机催化剂的“完全可再生性”保持批判性，并意识到当前技术状态下的局限性（图3）。
还需考虑的是，发酵过程资源密集且耗能巨大。通过应用Sheldon的E因子对10升规模发酵生产两种酶的合成进行分析，发现每生产1公斤酶会产生约2800公斤的废物。尽管发酵副产品可以被重新利用，如作为肥料，但这仍反映了酶生产所需的资源消耗。此外，能量消耗带来的“隐性”废物也不容忽视，尤其是在当前能源生产主要依赖化石燃料的情况下，CO2排放是个关键问题。尽管E(+)因子的数字看起来很高，但需要注意的是，生物催化剂通常并非最终产品，而是用于合成目标产品的工具。因此，如果生物催化剂使用效率高，其对最终产品的环境影响可能可以忽略。同时，大型酶供应商的生命周期评估（LCA）数据显示，工业酶的CO2排放低约四个数量级，这部分是由于液体酶制剂作为基础进行计算，而非生物催化剂本身（表2，图4）。
关于光催化，其主要环境优势通常被认为源于利用太阳光加速化学反应或为能量需求高的反应提供热力学驱动力。然而，大多数光催化实例中使用的是人工照明而非太阳光。因此，在评估光催化过程的环境效益时，必须将照明所消耗的能量及其带来的CO2排放考虑在内。在一个实例中，LED照明引起的CO2排放占整个反应E(+)因子的50%以上。这主要由于反应混合物非常稀释，产品浓度仅为10 mM。提高产品浓度至工业要求的50-200 g/L能够减少E因子，但这一点仍需进一步验证。此外，大多数生物催化反应仍在稀释的水性介质中进行，导致每公斤产品产生数百升废水。总之，光催化和生物催化的经济和环境优势并非天然存在，必须全面评估多种因素（图5-6）。
目前已知三种天然存在的光酶（即依赖光照发挥活性的野生型酶类）：第一类是原叶绿素氧化还原酶（LPORs），它们在叶绿素生物合成途径中发挥作用，催化原叶绿素中的C17=C18双键的光依赖性还原。值得注意的是，在这种情况下，底物本身作为光敏剂。由于底物范围高度特异，LPORs在生物催化领域尚未得到广泛研究。第二类是光解酶（PLs），几十年来科学界对其研究广泛，但主要集中在修复光损伤的DNA（如胸腺嘧啶二聚体）方面，而非生物催化。PLs中的甲基四氢叶酸光敏剂通过荧光共振能量转移（FRET）激活还原的黄素，然后通过单电子转移（SET）修复胸腺嘧啶二聚体，完成环裂解和逆向SET步骤。第三类是最年轻的光酶成员，即脂肪酸光脱羧酶（FAPs）。自2017年Beisson及其团队首次报道以来，来自绿球藻的FAP（CvFAP）引起了广泛关注。这类酶的催化机制包括通过蓝光激发酶结合的黄素辅因子，激发的黄素介导酶结合的去质子化羧酸的SET步骤，从而引发几乎瞬时的脱羧反应，并伴随半还原黄素的逆向电子转移，酶活性位点中的精氨酸和半胱氨酸在质子转移中也发挥了重要作用（图7-9）。
在FAPs的研究中，一个常见的应用是将可再生（废）脂肪酸转化为燃料。为此，生产成本对该应用的商业成功至关重要。作者分析了当前FAP文献中的催化剂周转数，发现目前FAP催化的酶利用率距离经济可行性仍有很大差距。报道中很少有超过10,000的周转数或产品与催化剂的比率超过1的情况，这与预期的燃料烷烃制备目标形成了鲜明对比（图14）。
FAP催化的脂肪酸脱羧反应的强化早期已受到关注，重点在于提高光量子产率。传统反应器中的光穿透差使得光酶活性低，流动化学和不同照明方式虽能提高产率，但对FAP总周转数影响有限。在全细胞转化中，将FAP展示在膜上能提高活性。FAP的经济可行性主要受其低稳定性限制，光照下FAP的稳定性与光谱重叠度相关，蓝光导致最大失活，而红光影响较小。固定化对FAP的光稳定性几乎没有影响，因为光稳定性主要受辅基和活性位点氨基酸的影响（图15）。
FAP催化要达到经济可行性需要显著改进，尤其是光失活过程目前尚未完全理解。可能通过酶工程可以解决这一问题。为基于实验证据进行工程改造，识别参与光失活的氨基酸残基（例如通过胰蛋白酶消化和高效液相色谱-质谱分析）以及详细表征光漂白的黄素辅基非常重要。另一种有趣的方法是生成对羧酸底物具有更高亲和力的FAP突变体，以减少“空”FAP的光照导致失活。最后，Scrutton等人建议将FAP催化嵌入代谢活跃的全细胞系统中，替换光失活的FAP，也是值得进一步探索的方向。
图18. 通过加入非天然二苯甲酮氨基酸创建人工光酶并将其用于立体选择性分子内Diels-Alder反应
近年来，光生物催化反应的领域扩展到串联级联反应，其中酶的底物通过光化学方法生成，或者酶的产物进一步通过光催化转化。
近年来，关于NAD(P)H再生的研究逐渐增多，其中光化学方法用于催化NAD(P)+转化为NAD(P)H，但通常会产生酶不活跃的NAD(P)二聚体和异构体。为了克服这些副反应，通常采用中继系统将两个单电子转移步骤转化为单一的氢化物转移。虽然非酶催化剂[Cp*Rh(bpy)(H2O)]2+已经显示出较高的选择性，但其催化效率仍有限，并且其与酶的互相失活问题尚需解决。此外，光生物催化方法也在逐渐发展，包括利用光合作用微生物和新型的光催化系统。然而，这些方法在经济和实用性上仍面临挑战，尤其是酶的光稳定性问题（图19-24）。
NAD(P)+再生系统，特别是光催化NAD(P)+再生方法，早在1980年代就已出现。尽管有些方法（如使用吲哚蓝或黄素）获得了一定关注，但这些光催化反应在现代光生物催化中仍占据较小的地位。另一方面，H2O2驱动的生物催化氧功能化反应受益于H2O2的生成。早期的研究利用黄素光敏剂和EDTA作为牺牲电子供体，但产生了大量废物。为了改善这一点，新的电子供体，如阳极和甲醇，显示出良好的前景。尽管如此，水作为理想的电子供体尚未得到广泛应用，因为水氧化产生的活性氧物质对催化剂的鲁棒性构成了挑战。总体而言，与其他光生物催化方法相比，H2O2的原位生成能够实现更高的催化转化率，但其在规模化应用中的潜力仍需进一步验证。
最后，讨论光催化和生物催化步骤相结合的反应机制也很有意义。例如，已有报道涉及光生物催化的去对映体反应，这些反应包括光化学原位对映体化与立体选择性酶催化步骤的结合，或非立体选择性的光催化还原与酶催化立体选择性氧化（或反之）的结合。总体而言，将光催化和生物催化的优势结合起来，为选择性有机化学提供了新的可能性。尽管这一领域相对年轻，目前主要集中在概念验证研究上，但未来有望提高对光催化和酶催化剂的兴趣，解决兼容性和生产力等挑战（图25-30）。
总之，光生物催化是一个令人兴奋且快速发展的研究领域，通过将光催化与生物催化相结合，开辟了许多新的合成可能性。尽管许多研究团队正急于探索其合成潜力，但必须注意经济效率低下的合成路线最终只会停留在实验室阶段。目前，大多数光生物催化反应的催化剂效率较低，特别是在光活化黄素蛋白的情况下，酶的使用量在摩尔百分比范围内，这使得在新燃料领域的应用不太现实。虽然一些研究人员正在努力提高这些反应的效率，但尚未有针对黄素光漂白或光活化黄素对活性位点氨基酸影响的研究。酶工程可能在一定程度上减轻光失活问题，同时在光催化再生方法领域中，当前的效率也不及纯生物催化方法，因此需要明确识别和消除限制因素。尽管光生物催化领域仍面临诸多挑战，但正是这种不确定性使其研究更具吸引力。
作者信息及链接：
代尔夫特理工大学 Frank Hollmann：https://www.tudelft.nl/en/faculty-of-applied-sciences/about-faculty/departments/biotechnology/research-sections/biocatalysis/frank-hollmann-group/
研究方向：氧化还原酶在有机合成中的应用
华南理工大学 王永华：https://www2.scut.edu.cn/sp/2017/0717/c11280a173328/page.htm
研究方向：工业酶与生物脂质及食品安全
文章信息：Photobiocatalysis:More than just an interesting lab curiosity?
文章链接：https://doi.org/10.1016/j.checat.2024.101077
