光驱动甲烷单加氧酶仿生催化：卤代呫吨染料介导的高效甲烷至甲醇转化

本研究针对传统甲烷催化转化能耗高、选择性低的问题，开发了一种基于卤代呫吨染料（Xanthene Dyes, XDs）与甲烷单加氧酶（sMMO）的光生物催化平台。通过染料的光生电子直接还原MMOH二铁活性中心，在常温常压下实现甲烷高效羟基化生成甲醇，最高产率达7.52 mmol·gcat−1·h−1，且无需NADH辅因子。该工作为绿色碳资源转化提供了新策略。

甲烷（CH₄）作为天然气的主要成分和强效温室气体，其温和条件下的选择性转化一直是能源化学领域的重大挑战。传统热催化需高温高压（>800°C，>20 bar）以活化惰性C–H键，而光催化虽利用光子能量却易因自由基过度氧化导致甲醇（CH₃OH）选择性下降。自然界中，甲烷氧化菌体内的甲烷单加氧酶（Methane Monooxygenase, MMO）可在常温下高效催化甲烷羟基化，但其依赖烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NADH）的电子传递链限制了实际应用。如何模拟酶的高选择性并摆脱辅因子依赖，成为实现绿色甲烷转化的关键。

针对这一难题，韩国科学技术院（KAIST）和建国大学的研究团队在《Nature Communications》发表论文，提出了一种“生物太阳能”催化平台：通过将卤代呫吨染料（Xanthene Dyes, XDs）作为光敏剂与MMO的关键组分羟基酶（MMOH）直接耦合，利用可见光驱动电子传递，在常温常压下实现了甲烷至甲醇的高效转化。研究揭示了染料结构与电子传递速率的构效关系，其中玫瑰红（Rose Bengal, RB）因重卤原子（碘、氯）增强的自旋轨道耦合效应，表现出最快的电子转移速率（k_ET = 1.46 × 10¹¹ s⁻¹），使甲醇产率提升至7.52 mmol·g_cat⁻¹·h⁻¹，优于多数热催化、光催化及生物催化体系。

研究主要采用以下关键技术方法：通过等温滴定 calorimetry（ITC）和光谱分析验证染料与MMOH的相互作用；利用分子对接与分子动力学（MD）模拟揭示电子传递路径；结合时间分辨荧光与电化学测试量化电子转移速率；通过气相色谱（GC）和同位素标记（¹³CH₄）验证甲醇产物来源与选择性。

MMOH与染料的直接光还原机制

研究发现，呫吨染料（以 eosin Y, EY 为例）可通过π-π堆积、氢键等非共价作用与MMOH结合，其光生电子可直接还原MMOH的二铁活性中心。表面增强拉曼和核磁共振氢谱（¹H NMR）显示染料苯环区信号位移，证实结合后电子环境改变。电子顺磁共振（EPR）中g=1.83信号（混合价态Fe^IIFe^III）消失，进一步表明二铁中心被还原为活性Fe^II态。

关键残基介导的电子传递路径

分子动力学模拟与量子力学/分子力学（QM/MM）计算表明，EY优先结合于MMOH表面邻近二铁活性中心的区域（Cluster 2），其中赖氨酸K323因最高的自旋密度（0.78 e/ų）和最短的电子给体-受体距离（3.1 Å），成为主要电子受体。马库斯理论计算显示，K323的电子转移重组能（λ=2.84 eV）较低，驱动反应自由能（ΔG°= –0.40 eV）为负，使电子转移速率（k_ET）达1.61 × 10⁶ s⁻¹。点突变实验（K323A、R320A）证实该残基对催化活性的关键作用。

染料结构对光生物催化性能的调控

比较四种呫吨染料（FL、EY、ErB、RB）发现，卤素原子数增加可增强染料与MMOH的结合亲和力（RB的K_d最低为9.23 μM），并通过强自旋轨道耦合促进系间窜跃，缩短荧光寿命（RB: 0.83 ns），加速电子转移。RB的激发态氧化电位（–0.69 V vs. RHE）最高，对MMOH还原的驱动力最强（ΔG°= –1.02 eV），其甲醇产率（4.93 mmol·g_cat⁻¹·h⁻¹）为FL的4.1倍。

全组分光生物催化系统的优化

在MMOH/MMOB/RB三元体系中，调节蛋白MMOB通过促进底物通道提升甲醇产率至7.52 mmol·g_cat⁻¹·h⁻¹，而还原酶MMOR因竞争电子降低效率。体系在AM 1.5G模拟太阳光下连续反应6小时仍保持高活性，累积甲醇产量达39.8 mmol·g_cat⁻¹，且同位素实验证实产物完全来源于¹³CH₄。

该研究通过仿生策略将酶的高选择性与光敏剂的高效能量捕获相结合，突破了传统甲烷转化对高温或辅因子的依赖。RB-MMOH复合物在常温常压下的甲醇产率显著优于多数金属有机框架（MOFs）、分子筛及金属氧化物光催化剂，为温室气体资源化提供了新路径。未来通过理性设计染料结构或优化酶-染料界面，有望进一步推动光生物催化在碳中性能源中的实际应用。