电子自旋共振方法在光酶催化研究中的应用│NSR展望

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融合了光催化与酶催化的光酶催化，不仅结合了可见光催化在温和条件下产生多种活泼化学中间体的优点，还具备生物酶催化的绿色温和、高效、高选择性优势，成为合成科学领域和生物制造领域的热点之一，近年来取得了显著进展。但是，针对光酶的研究主要集中在开发新的光酶反应体系，而对光酶催化机制的理解仍相对匮乏。特别是，光酶催化过程中涉及多种自由基中间体、高活性金属价态等高度活性的反应中间体，以及底物/产物、氧化还原酶、光敏剂等之间的复杂电子传递(Electron Transfer, ET)过程，对这些过程进行灵敏、时间分辨、原位的检测与动态跟踪，才能有效地揭示光酶催化机理和光驱动下电子传递过程的细节。

近日，中国科学院强磁场科学中心和中国科学技术大学的田长麟教授团队在《国家科学评论》(National Science Review, NSR)发表展望文章，探讨了电子自旋共振（Electron Spin Resonance, ESR）波谱学方法在解析光酶催化机制中的重要作用，为进一步应用ESR方法深入研究光酶催化过程和指导光酶催化体系的设计、优化提供了新的视角。

ESR方法是一种特异性地研究未成对电子的波谱学方法，对于光酶催化过程涉及的自由基、过渡态金属离子等复杂顺磁性中间体，ESR能够提供反应中间体相关电子结构、自旋状态和氧化还原态等关键信息，从而有助于深入理解催化机理和光驱动电子传递过程。通过快速冷冻猝灭和低温采样，结合自旋捕获技术，ESR可以检测活性高、寿命短的瞬态自由基中间体并跟踪其演化规律；进一步结合氧化还原调控、原位光激发/原位检测等手段，可以实时、原位、动态地解析光酶催化中电子传递通路和电子传递机制。在基于可见光激发天然光酶CvFAP实现不对称自由基氢芳基化转化、基于焦磷酸硫胺素(ThDP)依赖的苯甲醛裂解酶定向改造实现高对映选择性的自由基-自由基交叉偶联这两个光酶催化体系中，低温采样结合低温条件ESR、原位光激发结合ESR自旋捕获提供了光酶催化中关键自由基中间体的直接实验证据，阐明了催化反应机制。在基于人工光酶蛋白PSP2进行自由基SAM酶活化和CO₂还原反应中，原位光激发和低温ESR检测还提供了光激发后电子在光敏基团与酶催化中心之间的电子传递路径与机制。

图1. （A）光酶催化中电子传递路径。（B，C）ESR方法应用于研究光酶催化反应过程中关键自由基中间体和电子传递机制。

综上，ESR在光酶研究中的应用，在深入揭示光酶催化机制的同时，也将极大地激发具有更强反应性和更高立体选择性的新型光酶催化体系的研发。随着高场/高频ESR、脉冲ESR、时间分辨ESR等相关设备与方法的发展，将能够更深入地了解自由基物种、辅因子和金属中心在光酶反应中的作用机制。此外，将ESR光谱与X射线晶体学、质谱和瞬态吸收光谱等多种方法结合，可实现对光酶催化过程更全面的多角度、多参量分析，将有力推动光酶催化在可持续化学合成领域的进一步发展。

这项研究以“Electron spin resonance analysis of photoenzymatic catalysis”为题发表于NSR。中国科学院强磁场科学中心和中国科学技术大学的田长麟教授、于璐研究员为通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、中国科学院战略性先导科技专项（B类）等项目的资助。

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来源：知社学术圈

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