羧酶体（Carboxysomes）是蓝藻等光合细菌进行光合作用的关键结构之一，通过将包括RuBisCO酶在内的多种蛋白整合到限域多面体蛋白质骨架结构中，实现多酶高效协同级联催化进而促进了二氧化碳的高效转化。受此启发，利用自组装的策略模拟羧酶体的多面体骨架结构，整合多酶体系与光催化活性中心到限域有序微环境中，对于构筑新型人工光合体系，实现高效二氧化碳光还原转化具有重要意义。

近日，中国科学院上海有机化学研究所田佳研究员等在仿羧酶体组装级联多酶复合人工光合体系催化CO2还原至甲醇研究取得重要进展，相关研究成果以“Integration of Multiple Enzymes within Hydrogen-bonded Organic Frameworks for Efficient Cascade Photocatalytic CO2-to-Methanol Conversion in Water”为题，于2025年9月15日以长文（Research Article）形式在线发表于《Angewandte Chemie》杂志。文章链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202516599

该工作受羧酶体启发，通过水相中基于氢键相互作用的自组装，利用脒基单体、羧基单体与甲酸脱氢酶（FDH）、甲醛脱氢酶(FaldDH)及醇脱氢酶(ADH)的电荷增强氢键，原位一锅法共组装实现基于多酶-光活性框架体系的人工光合系统制备。基于联吡啶钌基元的氢键有机框架富集了光催化活性中心，能够在水相条件下实现高效的辅酶因子NAD⁺还原进而再生NADH, 还原速率达到4.5 mM/h。进一步，通过与FDH 的整合，利用光活性框架再生NADH以推动FDH持续消耗NADH还原二氧化碳, 进而实现高效的光催化二氧化碳还原制备甲酸。基于光催化位点与酶催化位点拉近效应，增强了光合体系催化制备甲酸的活性，催化HCOOH转化频率（TOF）能够达到681 h^-1。此外，通过整合FDH、FaldDH和ADH三酶级联体系，实现多种蛋白共组装到框架中。通过共聚焦显微镜实验证明了三种蛋白在框架内部的均一性封装，同时，基于光酶级联催化位点拉近效应，实现了高效光催化酶级联反应还原二氧化碳逐步至甲酸、甲醛到甲醇，其制备甲醇的效率达到92 μM/h， 表观光量子效率达到5.5%，同时经过5次催化循环仍然保持85%催化活性。该模拟天然羧酶体结构的研究提供了一种整合光催化与多酶级联催化构筑高效人工光合系统的新思路，为进一步利用高效光-酶级联体系实现二氧化碳还原到高价值多碳产物铺平了道路。

该论文的第一作者是上海有机所的博士后唐佳抗。以上工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金委、中国科学院、上海市科委、上海有机所以及黎占亭教授团队的大力资助和支持。

上海有机所田佳研究员及团队致力于模拟天然光合系统构筑高效人工光合体系，于2023年报道了首例仿紫色光合细菌色素体构筑的有机超分子人工光合组装体用于水相常温高效CO2还原制CH4（Nat. Catal.2023,6, 464–475），并于2024年报道了模拟藻胆体构建水相人工光合组装体用于光催化产H₂(Angew. Chem. In. Ed.2024,63, e202315599)，并受邀撰写相关综述，总结光合细菌启发的人工光合系统模拟绿小体、色素体和藻胆体等光合系统的进展（ChemCatChem2024,0, e202401365）；光合紫菌环状光捕获阵列和反应中心的构筑策略及LH1-RC复合物的模拟进展（Artif. Photosynth.2025,aps.5c00006）；以及自然和人工系统的光合反应路径（Sci. China Chem.,2024,68, 2820）。

课题组长期招收博士生和博士后（年龄<35周岁），有意者请联系田老师(Email: tianjia@sioc.ac.cn)。