在催化活性细胞上于常温下合成单原子催化剂以实现化学-酶促级联反应

将活细胞变成微型化学工厂

化学家一直在寻找更清洁、更高效的方法来合成有价值的分子，例如药物和精细化学品。这项研究表明，可以将普通细菌转变为微型、可重复使用的化学工厂——在其表面承载强效的金属原子，同时保持内部天然酶的活性。通过将这两种体系结合——耐用的金属催化剂与精细的生物机械——研究人员创造出一种新的“化学-生物”催化剂，能在水相、近室温条件下以高精度工作。

为何单原子重要

现代催化剂常依赖贵金属如钯或金。通常这些金属以纳米颗粒或更大的簇形式存在，这意味着许多原子隐藏在内部，无法参与反应。单原子催化剂将金属原子逐一分散到载体上，因此每个原子都能发挥作用。这能提升活性和选择性，但也带来一个主要问题：孤立的原子不稳定，容易聚结成颗粒，尤其在尝试在载体上加载大量金属时。传统防止聚结的方法常需高温、复杂设备或耗能步骤，限制了这类催化剂的制备和应用便利性。

将细菌变为载体

作者意识到微生物细胞表面提供了异常丰富的化学基团景观——如羟基和羧基——能够抓取并固定金属离子。他们使用基因工程改造的E. coli细菌，这些细菌过表达特定酶，并利用细胞表面作为钯和金的内置载体。金属离子首先与细胞壁外层的含氧位点结合，然后用精确控制剂量的强还原剂快速将其转化为单个金属原子。计算模拟和光谱测量显示，钯更倾向于与细胞包膜中的氧簇配位，形成稳定的孤立位点而非颗粒。通过这种方式，团队在温和的“常温”水相条件下实现了异常高的单原子负载——超过重量的4%。

把金属化学与酶的能力结合

由于金属原子位于外部而工程酶在内部仍然活跃，每个细胞成为二合一催化剂。研究人员在一项困难反应上测试了这一想法：将一类称为α,β-不饱和酮的分子完全还原为光学纯的醇。单独用金属催化剂或仅用酶通常难以按正确顺序以高选择性还原两个关键键。在新的混合体系中，表面钯首先还原碳—碳双键，随后内部的醇脱氢酶通过还原碳—氧键完成反应。通过微调钯的负载量，团队平衡了这两步的速率，使反应沿目标路径进行并避免副产物。结果是近定量的产率和超过99%对单一镜像异构体的偏好，这是先前方法未能达到的。

用玻璃状外衣强化微型工厂

尽管裸的混合细胞活性很高，但在多次使用后或在极端条件（如极端pH、高温或剧烈搅拌）下会丧失性能。为了解决这一问题，研究人员为每个细胞包覆了一层薄而多孔的二氧化硅壳——本质上是一层保护性的玻璃状盔甲，同时仍允许小分子通过。通过调整该壳层的厚度，他们在保持活性的同时大幅提升了稳定性。优化后的版本在18个反应循环后仍保留超过70%的初始性能，并且在机械挑战和储存条件下的耐受性远优于未包覆细胞或传统的钯/碳催化剂。

对未来绿色化学的意义

简单而言，这项工作通过用单金属原子装饰并以可呼吸的无机外衣保护活细胞，将微生物变为坚固且高精度的化学工具。这种方法具有灵活性：团队还展示了使用其他酶和基于金的单原子位点的类似混合体以执行不同的多步反应。综合来看，这些结果提出了一条通往可持续制造的新路径：廉价、自我复制的细胞提供支架和生物活性，而精心定位的单金属原子则提供完成复杂转化所需的原始催化能。

引用: Zhang, Y., Yue, X., Zhang, S. et al. Ambient synthesis of single-atom catalysts on catalytically active cells for chemoenzymatic cascades. Nat Commun 17, 2935 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69812-3

关键词: 单原子催化剂, 微生物催化, 化学-酶促级联反应, 细胞上的钯, 硅包覆生物催化剂