研究核心突破 - 江南大学张荣珍教授团队联合多家机构成功构建高效体外酶催化级联系统，将胆红素产量提升至1.7克/升，产率达95.8%，实现了该高价值化合物的克级规模生物合成，为工业化生产奠定基础 [2] 关键酶的系统筛选与优化 - 研究通过系统进化分析，从众多物种中鉴定出最高效的酶组合：来自大鼠的HO-1与其专一伴侣蛋白CPR的组合在催化血红素转化为胆绿素步骤中效率最高，同样来自大鼠的BVR-A亚型在后续还原步骤中表现最佳 [4] - 通过对关键酶进行结构分析，截除大鼠CPR蛋白N端和大鼠HO-1蛋白C端的疏水性膜锚定区域，获得可溶性大幅提高的截短变体RnCPRΔ54和RnHO-1Δ22，在保持催化效率的同时解决了异源表达溶解度难题 [4] 反应瓶颈识别与副产物Fe²⁺的抑制机制 - 使用优化酶组合进行一锅法反应时，血红素转化率可达83.9%，但胆红素最终产率停滞在48.1%，存在明显物料损失 [5] - 研究发现副产物二价铁离子（Fe²⁺）能与去质子化的胆绿素或胆红素结合形成复合物，该配位作用能显著降低复合物前线分子轨道能隙，使其更易发生单电子转移，从而激活氧分子、引发自由基链式反应，导致卟啉环氧化降解 [7] - 通过筛选金属螯合剂，发现羟乙二膦酸（HEDP）能有效螯合Fe²⁺，将胆绿素和胆红素产率分别提升约150%，结合降低反应pH值至6.5以抑制去质子化，产生协同效应，将胆红素产率提升至80.1% [7] 副产物CO的抑制机制与最终系统集成 - 研究发现副产物一氧化碳（CO）与游离血红素的结合力远强于O₂，形成的血红素-CO复合物其线性几何构型会在血红素加氧酶活性口袋中产生空间位阻，阻碍底物结合与O₂激活，从而强烈抑制酶催化循环 [8] - 为彻底解除抑制，研究团队在核心酶基础上引入两种辅助酶：工程化一氧化碳脱氢酶（ChCODH）用于将CO氧化为无毒的CO₂，以及甲酸脱氢酶（ApFDH）用于实现辅因子NADPH的原位再生 [8] - 最终构建的包含五种酶的一体化级联反应系统在1升规模反应中，成功将3 mM（1953 mg/L）的血红素完全转化为2.87 mM（1678.4 mg/L）的胆红素，产率高达95.8%，产物经核磁共振谱确证为具有生物活性的胆红素IXα异构体 [8]

电化学与酶催化融合研究 - 电化学在合成化学领域经历复兴 展现出通过电能驱动酶催化解锁非天然反应模式的潜力 但面临兼容性和异相电子转移等关键挑战 [2] - 南京大学黄小强团队在Nature发表研究 通过电催化与ThDP依赖酶融合 实现醛到手性羧酸的动态动力学氧化 对映选择性达99%ee [2][4] - 该电酶法可高效合成布洛芬等10种(S)-芳基丙酸类药物 酶负载量低至0 05摩尔百分比 适用于过表达该酶的所有细胞 [4] 新型催化体系机制与功能 - 二茂铁介导的电催化重塑ThDP依赖酶 解锁α-支链醛的非天然氧化路径 机制研究显示其在底物识别 消旋加速及电子转移中具多功能性 [4][5] - 电驱动酶催化开辟不对称合成新范式 为苯丙酸类药物生物合成提供新途径 兼具精确性和高效性 [2][4] 黄小强团队系列突破性成果 - 2023年12月发表Nature论文 开发ThDP依赖酶与光催化协同体系 实现全新分子生化系统 扩展酶功能并解决手性控制难题 [7] - 2024年11月发表Nature论文 改造ThDP依赖酶构建三组分光生物催化体系 突破天然酶底物数量限制 赋能绿色生物制造 [10] - 团队两年内连续发表3篇Nature论文 交叉融合生物与化学 推动催化科学前沿发展 [7][10]