Os dois maiores desafios na catálise enzimática industrial são o número limitado de tipos de reações químicas que são catalisadas por enzimas e a instabilidade das enzimas sob condições adversas na catálise industrial. A expansão da catálise enzimática para um escopo de substrato maior e uma maior variedade de reações químicas e o ajuste do microambiente ao redor das moléculas de enzima para alcançar um alto desempenho enzimático são urgentemente necessários.

Recentemente, uma equipe de pesquisa liderada pelo Prof. Jun Ge da Universidade de Tsinghua, A China revisou seus esforços usando a abordagem de novo para sintetizar catalisadores de enzimas híbridas que podem lidar com esses dois desafios e a relação estrutura-função é discutida para revelar os princípios do projeto de catalisadores de enzimas híbridas. Os resultados foram publicados em Jornal Chinês de Catálise .

Em 2012, eles primeiro relataram um método de coprecipitação para preparar compósitos de cristal inorgânico de enzima. O método de coprecipitação é geralmente usado para preparar catalisadores de enzimas híbridas com vários cristais inorgânicos, incluindo MOFs. Em 2014, eles primeiro propuseram uma estratégia de coprecipitação para sintetizar diretamente MOFs embutidos em proteínas. A estratégia de coprecipitação para sintetizar compostos de enzima-MOF é amplamente utilizada em diferentes tipos de MOFs, enzimas, proteínas, DNA, siRNA, anticorpos, e até células. Os mecanismos de aumento da atividade e estabilidade de enzimas no ambiente confinado de MOFs foram discutidos. Além disso, eles construíram compostos multienzimáticos-MOF para melhorar a reação em cascata em um andaime confinado e desenvolveram um modelo baseado em partículas para compreender a origem do aumento da atividade.

A atividade aparente das enzimas em MOFs com um tamanho de poro limitado é geralmente comprometida quando o substrato da enzima tem um peso molecular relativamente alto. Ao introduzir defeitos na matriz MOF para gerar poros maiores, restrições de difusão podem ser atenuadas. Portanto, eles desenvolveram métodos para introduzir defeitos em MOFs durante a coprecipitação. Ajustando a concentração de precursores de MOFs, podem ser sintetizados MOFs defeituosos e até mesmo amorfos. Esses defeitos criaram mesoporos nos compósitos, facilitou o acesso dos substratos às enzimas encapsuladas e melhorou a atividade aparente da enzima. O mecanismo de geração de defeitos foi exaustivamente estudado e compreendido.

Além disso, em vez de encapsulamento de enzima, pequenos cristais inorgânicos podem crescer in situ em um ambiente confinado na superfície de uma enzima para combinar catálise enzimática e quimiocatálise. Eles demonstraram como construir um catalisador híbrido de enzima-metal para combinar com eficiência a catálise enzimática e a catálise de agrupamento de metal. Conjugados simples de lipase-polímero como nanorreatores confinados foram utilizados para a geração in situ de nanopartículas / aglomerados de Pd para realizar a resolução cinética dinâmica quimioenzimática (DKR) de aminas. A distinta atividade dependente do tamanho das nanopartículas de Pd foi observada. Experimentos e simulações sugeriram que a engenharia do estado de oxidação do Pd desempenha um papel importante na atividade do Pd no catalisador híbrido. Esta estratégia para a construção de catalisadores híbridos enzimático-metal com excelente compatibilidade entre as atividades enzimática e metal-catalítica leva a muitas aplicações potenciais na indústria química.