人工合成的第一个氨基酸(科学家通过二氧化碳还原合成氨基酸)
人工合成的第一个氨基酸(科学家通过二氧化碳还原合成氨基酸)
2024-11-22 09:20:20  作者:蔔存菑得嗳  网址:https://m.xinb2b.cn/tech/rzi285250.html

自 2002 年起,上海交通大学化学化工学院教授车顺爱开始研究手性材料。手性,是指一个物体不能与其镜像重合,比如我们的左手与互成镜像的右手,也并不是重合的。

2004 年,车顺爱发在 Nature 上的论文,介绍了手性介孔材料的合成。自那以后,每次做报告她都会被问到一个问题:手性介孔材料到底有何用处?

由此可见,对于手性分子分离和催化的应用,大家都很期待。而她和团队也一直在探索这些应用。


图 | 车顺爱(来源:车顺爱)

就在你打开这篇文章时,大自然正在发生二氧化碳的还原反应,比如植物光合作用、微生物的生物固碳作用。

这些反应的生成产物十分丰富,例如糖类分子、氨基酸等生物分子,这些都是目前从人工二氧化碳还原反应中无法获得的。

在这些产物中,生物分子往往是单一的手性分子,它们有着过量的对映体,例如 L-氨基酸和 D-核糖。

同时,在催化反应中起着关键作用的生物酶、以及这些生物本身的细胞组成物也具有手性。其中,生物酶要通过自身严格的手性结构,来保证催化的专一性和高效性。

此前,车顺爱和团队曾发现:二氧化硅、金属氧化物、金属材料等无机材料,具备多种手性响应。手性金属材料的特点之一在于,能对氨基酸、糖类等多种手性分子,表现出对映体选择性。

基于此,课题组初步推测:正是凭借自身手性、以及丰富的构型种类,让这些酶和生物有机体在作为催化剂时,可以生成多种的产物。

如果这一推测属实,则能从大自然中汲取灵感,再综合手性这一因素,通过合成手性无机材料,就能发生二氧化碳的还原反应,进而合成多官能团的的手性多碳分子。

根据上述策略,他们通过合成手性无机纳米铜膜,来进行电催化二氧化碳还原反应,借此合成了对映体过量的氨基酸产物。

在这些产物中,丝氨酸的对映体过量值高达 94%。针对反应产物的测试结果显示,在二氧化碳还原成为丝氨酸时,3-羟基丙酮酸是关键的中间体。

理论计算结果也显示,对于由二氧化碳还原所形成的丝氨酸路径的能垒,手性无机纳米铜模表面的手性晶面,不仅能起到降低的作用;同时,手性晶面的对映体,也会降低手性丝氨酸的产量,从而合成手性氨基酸。

基于此,在最近的一项工作中,该团队发现了一种通过二氧化碳还原、来合成多碳产物的新策略:即在催化剂中引入手性,来合成人工二氧化碳还原中无法获得的高附加值产物。也就是说,通过人工电催化二氧化碳,可以合成氨基酸。


(来源:Chem)

在生物的生命过程中,氨基酸是一种至关重要的分子。相比生物体内复杂的的组分,无机表面则是一种构造简单的体系。

因此,在研究二氧化碳产生氨基酸的反应路径和机理时,如能借助无机表面这一简单体系,也会给研究自然界中的二氧化碳还原机理带来重大意义。

2017 年,担任本次论文一作的方宇熙加入车顺爱课题组,他对于手性起源也很感兴趣,而且在硕士期间积累了研究电化学沉积金属材料的经验。

在查阅无机材料催化的文献时,他看到一些通过使用金属硫化物,进而由二氧化碳、氢气、氢氰酸水热来合成氨基酸的论文。

这些文献着眼于地球上生物的起源,即氨基酸在原始地球上的生成。然而,用这种方法合成的氨基酸都是消旋的,并不符合目前生命体中大多数 L-氨基酸的现状。

由此方宇熙得到启发,无机物是一种简单物体,甚至也可能存在于原始地球上。那么,使用无机物做不对称催化,整个体系的反应物应该都是原始地球上可能存在的东西。

所以,他想看看是否只用二氧化碳和氨——这两个原始地球上可能最为丰富的原料,就能通过不对称催化反应合成氨基酸。

由此,他想到了二氧化碳电催化反应,这是一个广为人知、同时也颇受关注的反应。方宇熙猜测:不借助酶或微生物,通过电催化二氧化碳还原、并合成某种手性产物的想法,在研究催化和手性的科研人的脑海中,可能也曾出现过。

“不过,由于电催化二氧化碳还原反应的主要产物是 C1,C2 分子,并不容易形成 C3 以上的产物,这可能是其他同行没有继续耕耘此路的原因。而在我的研究中,首先要解决的是如何形成手性的铜。”方宇熙说。

一开始,他使用嵌段共聚物 手性分子的体系,通过电沉积合成铜材料。但其缺点在于嵌段共聚物的位阻太大,这会阻碍手性分子对于无机结构的诱导。

因此,方宇熙改用另一个体系:阳离子表面活性剂 CTAC 手性分子。后又通过电化学方法,通过除去有机组分,得到了一个手性无机纳米铜膜。

接下来,要对铜膜表面的手性原子级别结构进行表征。然而,他发现无法借助透射电镜的重构,来得到原子级别的表面手性结构。

因此,在和导师商量之后,他与上海交大化学化工学院研究员刘晰合作,通过高角度环形暗场,获得了扫描透射电镜照片。同济大学的韩璐教授对其进行了结构表征,发现铜膜表面存在着手性晶面,接着又对其米勒指数予以确认。

在合成催化剂之后,还得进行催化实验。一开始是在常压 2H 型电解池中,通过碳酸氢铵水溶液电解液做的,反应时间为一个小时。

方宇熙发现,短时间内并不能合成氨基酸,这与之前通过无机硫化物催化水热合成氨基酸的文献结果类似,即需要 1 天以上的反应时间。

但是,长时间的反应之后,碳酸氢铵会逐渐挥发,因而无法继续参与反应。为此,他将反应电解池改为高压-2H 型电解池,借此防止碳酸氢铵的挥发,并将反应时间改为 24 小时。

对于反应生产的氨基酸,则用加热分解碳酸氢铵的方法进行提纯,并用氨基酸分析仪进行表征。

然而,并不是所有产物都能被表征。在反应中,氨和二氧化碳的含量比较多,因此无法使用气相色谱-质谱联用仪做分析。

为此,课题组联合中国科学技术大学国家同步辐射实验室的杨玖重博士、以及上海交大的周忠岳教授,通过光电离质谱对乙醇和甲酸产物进行表征。借此他们发现,3-羟基丙酮酸承担着反应中间体的作用。

最后,方宇熙在复旦大学刘志攀教授的指导下,通过密度泛函理论计算,研究了氨基酸的形成机理。接下来,最大的难题是反应路径的确定。

而在之前,对于氨和二氧化碳还原所形成丝氨酸的路径,方宇熙已经做过热力学研究。既然中间体是 3-羟基丙酮酸,因此他参考由二氧化碳还原形成乙醇和乙酰 CoA 路径,预设了一个反应路径,并做以热力学计算。


(来源:Chem)

接着,刘智攀教授指出,单纯的热力学计算,对于手性表面上氨基酸的形成,可能无法做出全面的解释。

为此,方宇熙进行了动力学计算,并对压强和 pH 值增加矫正。到此虽然几经曲折,整个研究终于一段告落。

近日,相关论文以《手性铜表面电催化还原二氧化碳合成氨基酸》(Synthesis of Amino Acids by Electrocatalytic Reduction of CO2 on Chiral Cu Surfaces)为题发在 Chem 上(IF 25.832)。


图 | 相关论文(来源:Chem)

同济大学化学科学与工程学院博士研究生方宇熙为论文一作,同济大学韩璐教授、上海交大车顺爱教授、周忠岳教授、以及复旦大学刘智攀教授为共同通讯作者 [1]。

对于通过不对称电催化二氧化碳合成氨基酸,评审专家一致认为这是一项巨大创新。也有评价认为,其价值并不局限于二氧化碳还原,也给不对称催化领域带来了突破。


(来源:Chem)

对于投稿过程车顺爱表示:“可能因为过于创新,在第一次审稿时有位审稿人认为,在简单的无机表面上,通过催化二氧化碳还原来合成氨基酸,实在是不可思议,所以让我们确认氨基酸是否真的由二氧化碳形成。为此,我们补充一系列控制实验和同位素测试,最终说服了这位审稿人。”

方宇熙认为,后续研究可往两方面发展。一方面,可以继续研究手性起源问题。其一,使用物理场去合成手性无机材料,并进行不对称的催化,从而解决手性起源的问题;其二,可以研究无机材料催化核糖的不对称催化,进一步研究核糖在原始地球上对称性破缺原因;其三,还可以研究手性无机材料能否诱导生命中的多级手性,比如 RNA/DNA 螺旋、蛋白等。

另一方面,则可尝试提高氨基酸的生成效率。首先,可以在流动池中进行电催化合成氨基酸,从而提高生成氨基酸速率;其次,针对氨基酸的合成,还需寻找能取代铜的的催化剂。

目前所用的铜催化剂,固然可以生成氨基酸,但主要产物依然是甲酸和乙醇。方宇熙认为,原因可能在于铜的本征催化路径,具备易生成乙醇和乙烯的特点。

然而,乙醇无法还原成酸。同时,乙醇和乙烯都是高度还原的多碳产物。因此在非手性状态下,那些无法合成乙醇或乙烯的金属和金属氧化物,才是手性催化剂的更好选择。

参考资料:

1.Fang, Y., Liu, X., Liu, Z., Han, L., Ai, J., Zhao, G., ... & Che, S. (2022). Synthesis of Amino Acids by Electrocatalytic Reduction of CO2 on Chiral Cu Surfaces.

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