诺奖得主，光催化，又一篇Nature！

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导语

人工金属酶把合成金属辅因子嵌入可进化的蛋白支架，让简单的金属催化剂也能获得对映选择性[1]。金属多吡啶光催化剂在可见光化学里应用广泛，却因拓扑结构复杂、缺少天然蛋白伴侣，一直难以在蛋白环境中实现高对映选择性光催化[1]。Mishra等人用生成式蛋白设计从头创建能选择性结合这类光催化剂的支架，再用定向进化把它改造成高效、高对映选择性的人工金属酶[1]。生成式设计与定向进化首尾相接，为合成金属配合物开辟了可编程的活性位点[1]。这样的路线还能移植到别的金属配合物上，不必再受限于现成的天然蛋白[1]。下文依次讲设计方法、关键结果与证据边界，并借几篇补充研究交代这条路线在方法、机理与支架范围上所处的位置。

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背景

金属多吡啶光催化剂在可见光化学里应用广泛，却因为结构复杂、缺少天然蛋白伴侣，长期难以在蛋白骨架内做出高对映选择性的光催化[1]。人工金属酶把合成金属辅因子与蛋白支架绑在一起，给这类辅因子提供一个可进化的化学环境，这正是问题卡住的地方[1]。能不能为这类光催化剂从头建出可结合的蛋白支架，决定了这条路线走不走得通[1]。

从头蛋白设计这几年正从搭出新折叠结构，转向做出可编程的功能，人工智能与物理建模的合流让这一步明显加快[4]。有了这种能力，没有天然蛋白伴侣的合成金属配合物才能拿到可编程的活性位点[4]。反过来，Mishra等人的工作也给从头设计从结构走向功能，落下一个催化方向的具体例子[4]。

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主文献研究设计与关键方法

研究用生成式蛋白设计，围绕金属多吡啶的结构开出形状互补的结合口袋，再用序列设计工具生成序列，用结构预测验证折叠[1]。设计好的骨架交给定向进化，逐步抬高催化性能与选择性，先设计、后进化，一条线走到底[1]。设计这一环不必一步到位，缺的部分由进化来补[1]。分工也清楚：生成式蛋白设计给出能结合辅因子的初始骨架，序列设计与结构预测管可折叠、可表达，定向进化管后面的催化优化[1]。结合口袋的形状互补是第一道关，结构预测则给序列质量一个快速反馈[1]。

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关键结果

设计的DE3骨架能在外消旋辅因子里选择性结合其中一个对映体，给出94%的对映体过量[1]。接着引入R85F等突变，把骨架对辅因子的解离常数降到0.38微摩尔级别，同时保住了对映选择性结合[1]。亲和力上去了，选择性没丢，给后面的进化留了一个不错的起点[1]。能从外消旋混合物里优先抓住单一对映体，本身就算是后续立体控制的第一步[1]。

图1 | 辅因子结合与定向进化。DE3 骨架从外消旋辅因子中优先结合单一对映体（圆二色谱出现 Cotton 效应，结合对映体过量 94%），结合后辅因子发光增强；R85F/R65F 等突变进一步提升亲和力，解离常数降至 0.38 μM；以分子内[2+2]光环化为模型反应，定向进化逐步把对映体比提升至 3:97。（图片来源：P1 Fig.1, Nature, 2026）

定向进化得到4FFG变体，在1.5 mol%的骨架负载下把对映体比提到3:97[1]。设计阶段没放底物进去，但只要骨架对辅因子有足够的亲和力，进化照样做出高效的立体控制[1]。骨架负载这么低还保持选择性，说明手性主要来自蛋白环境，而不是辅因子本身[1]。单看对映体比，主要对映体已经占压倒性优势，够得上实用化要的立体纯度[1]。

图2 | 进化后人工金属酶的底物范围。4FFG 催化多种取代 4-烯丙氧基喹诺酮的分子内环化，芳环与烯烃上的取代均保持高对映体比；延长烯烃系链与 N-甲基底物经进一步筛选也能获得高选择性，说明口袋对底物电子效应不敏感、更依赖空间预组织。（图片来源：P1 Fig.2, Nature, 2026）

在集成光反应器里，这种人工金属酶的转化数超过50000[1]。体系还能直接用市售的外消旋金属配合物，不必做共价偶联，也不必特殊纯化[1]。光谱研究显示，蛋白环境拉长了光催化剂的激发态寿命，还把底物组织在辅因子附近，反应走的是能量转移而不是电子转移[1]。几组数据放到一起看：蛋白骨架既提供手性环境，又抬高光物理效率，还护住辅因子免受背景反应干扰[1]。水相里的蛋白环境，一只手管手性诱导，一只手管辅因子保护[1]。转化数高，说明催化循环能反复转，为后续把它推向连续流或规模化留出了空间[1]。

图3 | 高转化数、可回收性与拓展反应。集成光反应器中转化数超过 50000；反应后可用乙醚萃取产物，水相人工金属酶溶液可直接重复使用；商业外消旋辅因子 20/21 也能结合并保持高对映选择性，说明蛋白骨架而非辅因子构型才是立体控制来源。（图片来源：P1 Fig.3, Nature, 2026）

图4 | 骨架与辅因子相互作用影响选择性与激发态行为。Stern-Volmer 淬灭区分动态与静态淬灭，进化后骨架更有效地预组织辅因子与底物以进行能量转移；瞬态吸收支持反应经能量转移而非电子转移进行。（图片来源：P1 Fig.4, Nature, 2026）

第二轮设计直接围绕辅因子搭电荷互补的口袋，不靠定向进化就能在碳氢插入反应上给出高对映选择性，还表现出对映发散性[1]。第一轮积累的设计经验，可以直接迁移到第二次设计，覆盖的反应类型也更多[1]。对映发散意味着同一条设计流程，既能拿到高对映选择性的碳氢插入产物，也能换一个变体就把产物构型翻过来[1]。

图5 | 第二代人工金属酶设计。第二轮设计直接围绕 Ir(III) 辅因子构建电荷互补口袋，多数设计对辅因子亲和力更高、特异性更好；A7/A9 起始选择性更高，并展示对 C-H 插入反应的对映发散催化。（图片来源：P1 Fig.5, Nature, 2026）

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补充文献对照

补充文献2为Zou等人发表于Nature Catalysis的工作[2]，他们把钌辅因子装进超稳定的从头设计蛋白，再经定向进化做出能在细胞内催化烯烃复分解的人工金属酶[2]。这条平行路线说明，从头设计加定向进化的组合可以搬到别的金属辅因子和非生物反应上，佐证了主文献的方法[2]。两边都把从头设计与定向进化当主线，差别只在辅因子类型和目标反应[2]。这项补充研究还把人工金属酶推进到全细胞环境，从头设计的蛋白在复杂生物体系里照常能用[2]。可见从头设计的蛋白骨架在应对复杂介质上具备优势，为人工金属酶的体内应用铺了路[2]。

补充文献3为Zubi等人发表于Chemical Science的工作[3]，他们把Ru(II)多吡啶配合物掺进脯氨酰寡肽酶骨架做人工金属酶，靠工程化手段调控它的光物理与催化性质[3]。对比主文献，这项早先的工作说明，天然骨架很难做到主文献那种对映选择性，从头设计支架的必要性在这里看得最清楚[3]。在现成的天然蛋白骨架上，金属多吡啶光催化剂的对映选择性被骨架本身卡住，再往上推很受限[3]。换句话说，天然骨架上能调光物理和催化性质，但要同时拿到高对映选择性，难[3]。

补充文献5为Pastorel等人发表于Nature Communications的工作[5]，他们把铱基光催化剂锚定在双链DNA螺旋里做人工photoDNAzyme，靠三线态能量转移实现对映选择性环加成[5]。这说明核酸支架也能做对映选择性人工光催化，为主文献的蛋白支架路线划出一条边界[5]。两边对照下来，对映选择性的来源可以落在不同的大分子支架上，关键是手性环境与能量转移是否匹配[5]。三线态能量转移这条光物理路径，在蛋白和核酸两类支架上都能走通[5]。

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局限与证据边界

这项研究围绕金属多吡啶光催化剂这一辅因子类别展开，此前这类辅因子在蛋白支架内的高对映选择性光催化一直没做成[1]。全文拿模型底物的分子内环加成当主评价体系，结论能不能搬到别的光催化剂或反应类型，还要离开蛋白支架再检验[1]。目前的数据主要来自单一金属多吡啶光催化剂和模型反应，放到更多光催化剂和蛋白支架上会怎样，需要补实验[1]。更复杂的光催化剂与底物组合，以及长时间运行的稳定性，也要专门评估[1]。

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启示

想做人工金属酶或光催化方向的读者，可以把生成式设计、非共价辅因子结合和定向进化当作一条整体流程来规划[1]。实验上不妨照搬它的做法：用对映选择性结合和解离常数当设计质量的早期判据，缺的部分再交给进化补[1]。辅因子的电荷和配位几何要显式建模，这一步对后面抬高设计成功率很关键[1]。评价体系上，用一个好读对映选择性的模型反应当进化压力，比一上来追复杂底物更容易收敛[1]。也可以把骨架对辅因子的亲和力与对映选择性拆成两个优化目标，分阶段看设计成败[1]。设计一开始就把定向进化算进去，给后面的残基改造和高通量筛选留好空间[1]。

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参考文献

[1] Mishra S, Payal, Evans D, Bortey K, Bootwala H, Gonzalez-Gutierrez G, Vázquez RJ, Baker D, Lewis JC. De novo design of enantioselective artificial metalloenzyme photocatalysts. Nature, 2026. https://doi.org/10.1038/s41586-026-11317-6

[2] Zou Z, Kalvet I, Lozhkin B, Morris E, Zhang K, Chen D, Ernst ML, Zhang X, Baker D, Ward TR. De novo design and evolution of an artificial metathase for cytoplasmic olefin metathesis. Nature Catalysis, 2025. https://doi.org/10.1038/s41929-025-01436-0

[3] Zubi YS, Liu B, Gu Y, Sahoo D, Lewis JC. Controlling the optical and catalytic properties of artificial metalloenzyme photocatalysts using chemogenetic engineering. Chemical Science, 2022. https://doi.org/10.1039/d1sc05792h

[4] Kortemme T. De novo protein design—From new structures to programmable functions. Cell, 2024. https://doi.org/10.1016/j.cell.2023.12.028

[5] Pastorel Z, Zanzi J, Noël M, Bartocci A, Arseniyadis S, Dumont E, Canac Y, Baslé O, Smietana M. A metal-DNA biohybrid as enantioselective artificial photoDNAzyme. Nature Communications, 2026. https://doi.org/10.1038/s41467-026-72881-z

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