摘要：酶是自然界最精妙的催化剂，能在温和条件下以惊人的速率和选择性推动复杂化学反应。无论是光合作用、固氮反应，还是生命体内的能量代谢，酶催化都扮演着核心角色。然而，当人类试图将这种天然高效的反应模式移植到体外或工业环境时，却常常遭遇效率衰减、稳定性不足等瓶颈。其根源

多尺度限域策略：可编程酶催化的新范式

酶是自然界最精妙的催化剂，能在温和条件下以惊人的速率和选择性推动复杂化学反应。无论是光合作用、固氮反应，还是生命体内的能量代谢，酶催化都扮演着核心角色。然而，当人类试图将这种天然高效的反应模式移植到体外或工业环境时，却常常遭遇效率衰减、稳定性不足等瓶颈。其根源在于：自然界中的酶并非孤立存在，而是在高度结构化、空间限域的胞内环境中协同工作。分子拥挤、电荷调控、微区pH与多酶复合体等因素共同塑造出“多尺度限域”（multiscale confinement）效应，使得反应得以在精准控制下高效进行。如何在人工体系中重现这种多层次限域机制，成为实现“可编程酶催化”的关键挑战。

近日，华南理工大学曹宇飞副教授联合清华大学戈钧教授、斯坦福大学Richard N. Zare教授、耶路撒冷希伯来大学Itamar Willner教授发表综述文章系统总结了酶催化中多尺度限域的基本原理与前沿进展，从原子层、分子层到多酶复合体层三个维度，揭示了自然界中限域效应的层级构建方式，并提出“多尺度可编程催化”作为设计人工酶体系的统一框架。该综述不仅回顾了人工活性位点构筑、纳米材料包封、以及多酶通道组装等领域的最新成果，也展望了人工智能与高通量技术在未来催化体系设计中的潜力。相关成果以“Programmable enzyme catalysis based on multiscale confinements”为题发表在《Nature Synthesis》上，曹宇飞副教授为第一作者。

从自然到设计：多尺度限域的启示

如图1所示，自然界中的酶催化体现出从原子级到多酶级的层层限域结构：在原子尺度，活性位点通过残基、金属离子及水网络的精确排布实现对底物的定向和过渡态稳定；在分子尺度，酶分布于膜、胞器或局部区域，构建出有序的微环境；在多酶尺度，复杂代谢途径通过空间聚集与底物通道实现“无扩散”级联反应。作者指出，这种“层层限域、协同催化”的天然结构，为人工系统中实现高效、精准的酶反应提供了设计蓝图。

图 1：体内酶的多尺度限制以及构建体外高效酶催化剂的受自然启发的策略

原子尺度的精雕细琢：活性位点限域

在原子尺度，限域的关键在于过渡态的稳定与电荷的预组织化（electrostatic preorganization）。如图2a所示，在典型的SN2反应中，若在溶液中进行，需耗费巨大的溶剂重组能，而在酶活性中心，极性基团的预极化排列使过渡态得到稳定，从而显著降低反应势垒。例如，酶ODCase能将原本在溶液中需数百万年才能完成的脱羧反应加速至毫秒级，其速率提升达10¹⁷倍。此外，图2b中的[FeFe]氢化酶展示了H⁺与H₂通道的协同结构，预组织的碱性基团如同“质子接力站”，在常温下即可每秒生成上万分子氢气。

进一步地，二级配位环境同样至关重要。碳酸酐酶中Zn²⁺与周围组氨酸形成稳定配位，二级残基通过氢键调控质子转移；纤维素酶中的碳水结合模块（CBM）则使底物定位并导入催化裂解位点。这些例子共同揭示：原子级限域并非单纯的“封闭空间”，而是通过精准电场与氢键网络塑造出一个三维反应势阱，为人工活性中心设计提供了可借鉴的原则。

图 2：体内多尺度酶限域

在自然酶活性中心的精巧限域启发下，研究者正尝试以人工方式重建这一“原子级微环境”。如图3所示，通过计算设计与定向进化，科学家们成功构筑了多种人工酶模型：在链霉亲和素等蛋白支架中引入生物素化的金属配合物，使其与周围酸性残基协同催化，实现了非天然C–H键活化反应；进一步地，通过双金属协同限域，在同一蛋白中布置两个金配合物，能够通过微调几何结构选择性地产生不同产物。此外，研究者还将生物和化学催化中心整合于单个蛋白，实现了氧化与烷基化的级联反应，并利用非天然氨基酸与铜配合物协同催化高选择性的不对称加成。更令人瞩目的是，借助人工智能模型RoseTTAFold Diffusion，科研人员能够从目标反应出发自动生成匹配的蛋白骨架，设计出的去新酶在效率与结构上已接近天然水平。这些成果表明，人类正在掌握以原子精度“雕刻”酶活性空间的能力，为可编程催化开辟了全新路径。

图3：人工活性位点的工程化重构

分子尺度的柔性操控：构象限域

在分子层面，限域不仅限于活性中心，还涉及酶整体的构象与其所在环境。在自然体系中，分子拥挤与膜限域使酶的构象自由度受限，从而维持高活化态。膜酶磷糖基转移酶（Fig.2c）便是经典案例：其结构跨越水相与脂相，利用不同区域的亲水/疏水平衡实现了极性与非极性底物的“跨界”反应。人工系统中，研究者通过材料限域实现类似效应。图4a展示了金属有机框架（MOF）对酶的包封：酶在其中被固定于刚性晶格，结构稳定性显著提升，甚至在80°C或有机溶剂中仍保持活性。

此外，蛋白-无机杂化纳米花通过限域晶体生长提供超稳定微环境，使催化活性反而提高。

然而，限域过度也会带来“稳定性—活性权衡”（Fig.4b）：当酶与基质多点共价结合时，过度限制其内部运动会削弱催化速率。对此，团队提出“匹配相互作用策略”（Fig.4c）：通过设计与酶表面化学互补的随机共聚物，实现既能保护构象、又不损失活性的“柔性限域”。更进一步，研究者还利用外界刺激调控酶活性。如图4d所示，将超小铂纳米颗粒锚定于酶表面后，可通过近红外光照实现局域加热，在不改变总体温度的情况下实现快速、可逆的活性调控。这类光、pH、氧化还原响应系统为“可控酶催化”开辟了新思路。

图4：分子级材料限域与构象调控

多酶限域的系统级协同：构建底物通道

当催化体系扩展到多酶层次时，“底物通道效应”（substrate channelling）成为提升效率的关键。如图5a所示，研究者利用DNA双交叉纳米结构，将葡萄糖-6-磷酸脱氢酶与苹果酸脱氢酶精确排列，并通过带有NAD⁺的“摆动臂”实现氢化物转移，反应速率提升百倍以上。

另一策略是通过电荷引导实现中间体的定向迁移（Fig.5b），或使用柔性肽链与“可编程臂”将连续反应单元耦合，实现对天然代谢复合体的人工模拟。

在酶-金属混合体系中，限域同样展现威力。如图5c，脂肪酶与钯纳米颗粒通过聚合物相连，催化水解与偶联反应在同一微区连续进行，显著减少副反应并提高选择性。在微米尺度，研究者还通过细胞-酶杂化体系与多酶共固定化微球（Fig.5d）实现仿生级联反应。此类系统能在光照或生理条件下实现自我调控与循环使用，为未来的生物制造提供新平台。

图5：多酶复合体限域与底物通道

总结与展望：走向可编程生物催化时代

作者指出，尽管多尺度限域催化已取得突破性进展，但要实现其在工业化与合成生物学中的广泛应用，仍需从三个方向持续推进：面向工业需求的全新酶设计——结合量子化学、分子动力学与机器学习，实现从活性中心到动态构象的精准预测；高通量实验与材料数据库建设——建立酶-材料相容性数据平台，以数据驱动的方式筛选最优载体；跨尺度一体化设计框架——从原子级活性点、分子级构象调控到多酶网络布局，建立标准化的多层协同设计管线。

展望未来，多尺度限域催化将成为连接生物化学、材料科学与人工智能设计的桥梁。正如论文所言，这一方向“学习自然、超越自然”，有望开启一个可编程、可调控、可持续的酶催化新时代。

来源：高分子科学前沿