手性醇和手性胺是合成药物及精细化学品的重要中间体，如何从简单易得的不饱和烯酮底物出发，实现其完全不对称还原以构建手性醇或手性胺，是有机合成领域极具挑战性的课题之一。由于碳碳双键和碳氧双键的还原需要不同的催化机制，单一金属催化剂或生物催化剂往往难以兼顾反应的区域选择性与对映选择性。近日，工程实验室生物催化与转化团队提出了一种基于催化活性微生物细胞原位合成单原子催化剂的创新策略，成功构建了化学-生物双功能催化剂，并应用于α,β-不饱和烯酮的完全不对称还原。

研究团队以过表达醇脱氢酶（ADHa）的重组大肠杆菌细胞为天然载体，利用细胞表面丰富的含氧官能团锚定金属钯离子，通过温和条件下原位还原成功合成了高负载量的单原子钯催化剂（SA-Pd@cell-ADHa）。

实验与理论计算结果表明，细胞表面的脂多糖和肽聚糖层提供的氧原子与钯原子形成配位键，是稳定单原子分散的关键。此外，该策略具有良好的普适性，可拓展至金单原子催化剂及其他过表达不同酶（如胺脱氢酶AmDH、单胺氧化酶MAO）的细胞体系。

为提升催化剂的稳定性与重复使用性，研究团队进一步在细胞表面包覆介孔二氧化硅壳层，构筑了具有有机-无机杂化结构的Si@SA-Pd@cell-ADHa催化剂。该硅壳层有效保护了细胞内酶的活性。

在催化应用方面，该化学-生物双功能催化剂实现了α,β-不饱和烯酮的完全不对称还原，依次通过单原子钯催化碳碳双键加氢和胞内醇脱氢酶催化碳氧双键不对称还原，获得手性醇产物。该过程对多种（杂）芳香族烯酮底物表现出优异的催化效率，产物收率高达91–99%，对映选择性达97–99% ee。进一步研究表明，SA-Pd@cell-AmDH和SA-Pd@cell-MAO等催化剂体系同样可实现不饱和烯酮到手性胺及手性四氢异喹啉类化合物的高效不对称转化。

并且得益于二氧化硅壳层的保护，Si@SA-Pd@cell-ADHa在较极端pH、温度、机械搅拌及长期储存条件下均表现出显著提升的稳定性，循环使用18次后仍可保持70%以上的初始活性，远优于未包覆的催化剂。

该研究不仅展示了微生物细胞作为单原子催化剂载体的巨大潜力，也为化学-生物级联催化体系的设计与构建提供了新思路。

论文信息：Ambient Synthesis of Single-Atom Catalysts on Catalytically Active Cells for Chemoenzymatic Cascades

文章第一作者是河北工业大学化工学院张雨晴博士，通讯作者是河北工业大学化工学院岳孝阳博士、刘运亭教授和姜艳军教授。

Nature Communications

DOI: 10.1038/s41467-026-69812-3