在工业生物制造领域，一种名为NAD(P)H的辅酶因价格高昂（3000美元/摩尔）且需化学计量消耗，长期制约着酶催化反应的产业化应用。传统再生方法依赖铑、钌等贵金属复合物作为电子介体，不仅成本高，还可能导致酶失活。近日，浙江师范大学杨启华团队在《Frontiers of Chemical Science & Engineering》发表综述，系统阐述了无金属介体光催化NAD(P)H再生技术的最新进展，部分体系转化率达45.5%，为绿色生物制造提供了低成本解决方案。

从“贵金属依赖”到“全有机催化”：一场辅酶再生的材料革命

NAD(P)H是生物体内90%氧化还原酶的“能量货币”，就像手机需要充电一样，酶催化反应也需要不断再生NAD(P)H才能持续进行。传统光催化系统中，贵金属介体扮演“电子中转站”角色，将光催化剂产生的电子传递给NAD(P)+。但这些介体稳定性差，且与酶混合后易导致蛋白质变性。

“无金属系统的突破在于找到直接‘对接’NAD(P)+的材料。”研究团队指出，通过设计具有π共轭结构的有机半导体，如三嗪基共价有机框架（TP-COF），可利用材料与NAD(P)+之间的π-π堆叠作用实现电子直接转移。这种“无中介”模式不仅省去了贵金属成本，还缩短了电子传输路径，就像“快递无需中转站直达收件人”，效率显著提升。

两大技术路径破解选择性难题：从分子设计到表面工程

路径一：共轭聚合物的“电子隧道”效应

团队开发的DBTS-CMP1共轭微孔聚合物，在可见光照射下15分钟内实现45.5%的NADH产率。这种材料通过噻吩单元的电子给体特性，构建了高效的“电子传输隧道”，同时多孔结构为NAD(P)+提供了丰富的结合位点。实验显示，其光稳定性优异，连续6次循环使用后活性无明显下降。

路径二：贵金属纳米颗粒的“替代方案”

对于难以完全摆脱金属的场景，研究者提出用纳米金（Au）和铑（Rh）颗粒替代复杂金属配合物。Au@Rh纳米花系统通过表面等离子体效应增强光吸收，Rh纳米颗粒作为活性中心直接还原NAD(P)+，NADH产率达30%，选择性较传统体系提升1.2倍。这种“纳米催化剂”策略将贵金属用量降低至微克级，成本仅为传统方法的1/20。

产业化前夜的挑战：选择性与稳定性的平衡

尽管无金属系统展现出潜力，但其面临的最大瓶颈是产物选择性。生物活性的1,4-NAD(P)H是目标产物，但无介体体系易生成1,6-异构体等副产物。例如，TP-COF系统中1,4-选择性约为60%，低于铑介体的95%。

“解决选择性问题需要精准调控NAD(P)+在材料表面的吸附构型。”团队认为，未来可通过分子模拟设计材料表面官能团，就像“定制钥匙匹配NAD(P)+的锁孔”，引导其以正确取向结合。此外，将无金属光催化剂与酶固定在同一载体上，构建“人工叶绿体”式集成系统，有望进一步提升电子利用率。

来源: 化学工程前沿FCSE