De twee grootste uitdagingen bij industriële enzymatische katalyse zijn het beperkte aantal chemische reactietypes dat wordt gekatalyseerd door enzymen en de instabiliteit van enzymen onder zware omstandigheden bij industriële katalyse. Zowel het uitbreiden van enzymkatalyse naar een groter substraatbereik als een grotere verscheidenheid aan chemische reacties en het afstemmen van de micro-omgeving rondom enzymmoleculen om hoge enzymprestaties te bereiken, zijn dringend nodig.

Onlangs, een onderzoeksteam onder leiding van Prof. Jun Ge van de Tsinghua University, China beoordeelde hun inspanningen met behulp van de de novo-benadering om hybride enzymkatalysatoren te synthetiseren die deze twee uitdagingen kunnen aanpakken en de structuur-functierelatie wordt besproken om de principes van het ontwerpen van hybride enzymkatalysatoren te onthullen. De resultaten zijn gepubliceerd in Chinees tijdschrift voor katalyse .

In 2012, ze rapporteerden eerst een coprecipitatiemethode om enzym-anorganische-kristalcomposieten te bereiden. De coprecipitatiemethode wordt algemeen gebruikt voor het bereiden van hybride enzymkatalysatoren met verschillende anorganische kristallen, inclusief MOF's. In 2014, ze stelden eerst een coprecipitatiestrategie voor voor het direct synthetiseren van in eiwit ingebedde MOF's. De coprecipitatiestrategie voor het synthetiseren van enzym-MOF-composieten wordt veel gebruikt in verschillende soorten MOF's, enzymen, eiwitten, DNA, siRNA, antilichamen, en zelfs cellen. De mechanismen van versterking van activiteit en stabiliteit van enzymen in de besloten omgeving van MOF's werden besproken. Naast dit, ze construeerden multi-enzym-MOF-composieten om de cascadereactie in een beperkte steiger te verbeteren en ontwikkelden een grofkorrelige, op deeltjes gebaseerd model om de oorsprong van de activiteitsverbetering te begrijpen.

De schijnbare activiteit van enzymen in MOF's met een beperkte poriegrootte wordt meestal aangetast wanneer het enzymsubstraat een relatief hoog molecuulgewicht heeft. Door defecten in de MOF-matrix te introduceren om grotere poriën te genereren, diffusiebeperkingen kunnen worden verlicht. Daarom, ze ontwikkelden methoden voor het introduceren van defecten in MOF's tijdens coprecipitatie. Het afstemmen van de concentratie van voorlopers van MOF's, defecte en zelfs amorfe MOF's kunnen worden gesynthetiseerd. Deze defecten creëerden mesoporiën in de composieten, vergemakkelijkte de toegang van de substraten tot de ingekapselde enzymen en verbeterde de schijnbare enzymactiviteit. Het mechanisme van defectgeneratie werd grondig bestudeerd en begrepen.

Bovendien, in plaats van enzyminkapseling, kleine anorganische kristallen kunnen in situ groeien in een beperkte omgeving op het oppervlak van een enzym om enzymatische katalyse en chemokatalyse te combineren. Ze demonstreerden hoe een enzym-metaal hybride katalysator kan worden geconstrueerd om enzymkatalyse en metaalclusterkatalyse efficiënt te combineren. Enkelvoudige lipase-polymeerconjugaten als opgesloten nanoreactoren werden gebruikt voor de in situ generatie van Pd-nanodeeltjes/clusters om chemo-enzymatische dynamische kinetische resolutie (DKR) van aminen te bereiken. De duidelijke grootte-afhankelijke activiteit van Pd-nanodeeltjes werd waargenomen. Experimenten en simulaties suggereerden dat de engineering van de oxidatietoestand van Pd een belangrijke rol speelt in de activiteit van Pd in ​​de hybride katalysator. Deze strategie voor het construeren van hybride enzym-metaalkatalysatoren met uitstekende compatibiliteit tussen enzymatische en metaalkatalytische activiteiten leidt tot veel potentiële toepassingen in de chemische industrie.