De två stora utmaningarna vid industriell enzymatisk katalys är det begränsade antalet kemiska reaktionstyper som katalyseras av enzymer och instabilitet av enzymer under hårda förhållanden vid industriell katalys. Både expanderande enzymkatalys till ett större substratomfång och större variation av kemiska reaktioner och avstämning av mikromiljön som omger enzymmolekyler för att uppnå hög enzymprestanda är akut nödvändig.

Nyligen, ett forskargrupp som leds av prof. Jun Ge från Tsinghua University, Kina granskade sina ansträngningar med hjälp av de novo-tillvägagångssättet för att syntetisera hybridenzymkatalysatorer som kan hantera dessa två utmaningar och struktur-funktion-förhållandet diskuteras för att avslöja principerna för design av hybridenzymkatalysatorer. Resultaten publicerades i Chinese Journal of Catalysis .

Under 2012, de rapporterade först en samutfällningsmetod för att framställa enzym-oorganiska kristallkompositer. Samutfällningsmetoden används allmänt för framställning av hybridenzymkatalysatorer med olika oorganiska kristaller, inklusive MOF. Under 2014, de föreslog först en samutfällningsstrategi för direkt syntetisering av proteininbäddade MOF:er. Samutfällningsstrategin för syntetisering av enzym-MOF-kompositer används ofta i olika typer av MOF, enzymer, proteiner, DNA, siRNA, antikroppar, och till och med celler. Mekanismerna för förbättring av aktivitet och stabilitet av enzymer i den begränsade miljön hos MOF diskuterades. Dessutom, de konstruerade multienzym-MOF-kompositer för att förbättra kaskadreaktionen i en begränsad byggnadsställning och utvecklade en grovkornig, partikelbaserad modell för att förstå ursprunget till aktivitetsförbättringen.

Den skenbara aktiviteten hos enzymer i MOF med en begränsad porstorlek äventyras vanligtvis när enzymsubstratet har en relativt hög molekylvikt. Genom att införa defekter i MOF -matrisen för att generera större porer, diffusionsrestriktioner kan lindras. Därför, de utvecklade metoder för att införa defekter i MOF under samutfällning. Stämning av koncentrationen av föregångare till MOF, defekterade och till och med amorfa MOF kan syntetiseras. Dessa defekter skapade mesoporer i kompositerna, underlättade tillgången till substraten till de inkapslade enzymerna och förbättrade den skenbara enzymaktiviteten. Mekanismen för defektgenerering studerades noggrant och förstod.

Dessutom, istället för enzyminkapsling, små oorganiska kristaller kan växa in situ i en begränsad miljö på ytan av ett enzym för att kombinera enzymatisk katalys och kemokatalys. De demonstrerade hur man konstruerar en enzym-metallhybridkatalysator för att effektivt kombinera enzymkatalys och metallklusterkatalys. Enkla lipas-polymerkonjugat som begränsade nanoreaktorer användes för in situ-generering av Pd-nanopartiklar/kluster för att åstadkomma kemoenzymatisk dynamisk kinetisk upplösning (DKR) av aminer. Den distinkta storleksberoende aktiviteten hos Pd-nanopartiklar observerades. Experiment och simuleringar tyder på att konstruktionen av oxidationstillståndet för Pd spelar en viktig roll i aktiviteten av Pd i hybridkatalysatorn. Denna strategi för att konstruera enzym-metallhybridkatalysatorer med utmärkt kompatibilitet mellan enzymatiska och metallkatalytiska aktiviteter leder till många potentiella tillämpningar inom den kemiska industrin.