Mimicking the natural photosynthesis is an attractive way for achieving a new form of renewable energy by utilizing solar light. During the photosynthetic process, photon energy is absorbed by dye-sensitized photosystems and stored as chemical energy, which is then used for the synthesis of carbohydrates through Calvin cycle. It is subsequently regenerated by a recycling process between light and dark reactions. For artificial photosynthesis, the photo-induced electron transfer reaction should occur with a manmade light harvesting antenna that can fulfill the role of photosystems in natural photosynthesis. The efficient regeneration of nicotinamide and flavin cofactor is critical for the conversion of solar energy into fine chemicals since the oxidoreductase, working as a counterpart of the Calvin cycle, requires a stoichiometric amount of cofactors as redox equivalents. Therefore, in order to develop an artificial photosynthetic system, it is important to identify an efficient means of photo-induced electron transfer, especially in the visible light range.
Oxidoreductases can catalyze difficult redox reactions that conventional chemical catalysts are unable to catalyze. Despite the capability of oxidoreductases to catalyze complex reactions, they require a stoichiometric amount of cofactors that have two contrary states (i.e., oxidized vs. reduced). Numerous efforts have been made for the in situ regeneration of cofactors, such as nicotinamide adenine dinucleotide (NADH), from its consumed counterparts towards the practical application of oxidoreductases in industrial biosynthesis. While conventional cofactor regeneration methods, such as the use of second enzymes or chemical electrodes, have such drawbacks as catalyst instability, low specific activity, and limited applications, the photochemical route to cofactor regeneration is at its infancy, providing an opportunity to utilize clean and abundant solar energy. A few studies report on the photochemical regeneration of cofactors by using heterogeneous semiconductor powders or soluble organic/organometallic materials as a photosensitizer. However, photochemical approaches suffer from extremely low turnover frequency and synthetic yield because they lack an efficient light-harvesting component.
Chapter 2 describes the first application of Eosin Y (EY) as a molecular photosensitizer for visible-light-driven regeneration of NADH in the presence of electron mediator (M) and sacrificial electron donor. An efficient regeneration of NADH with a high turnover rate was achieved through a new photosensitizer-electron relay dyad (EY-M) whose components bound to each other. Photochemical regeneration of the nicotinamide cofactor, coupled with enzymatic reaction catalyzed by glutamate dehydrogenase, was successfully conducted as a model dye-sensitized artificial photosynthetic system.
In Chapter 3, it was found that xanthene dyes can work as a promising visible light-harvesting catalytic component for the highly efficient photoregeneration of NADH and enzymatic synthesis. The turnover rate of the cofactor significantly enhances in the visible light-driven photocatalytic reaction, sensitized by xanthene dyes. A donor-acceptor relationship was observed between the organometallic mediator and xanthene dyes, excepting the rhodamine series. Photo- and electrochemical properties of xanthene dyes were affected by the halogen atom substitution, which is a key factor in the efficient light-induced electron transfer from the donor molecule to the catalytic mediator. It is anticipated that our finding about the superior performance of xanthene dyes for photoenzymatic synthesis will provide a foundation for developing efficient artificial photosynthetic systems driven by solar light.
Chapter 4 deals with sustainable photochemical NADH regeneration and redox-enzymatic synthesis accomplished by using CdS nanocrystals grown on the surface of SiO2 beads. CdS nanocrystals grown on SiO2 beads worked efficiently as a visible-light absorbing photocatalyst for in situ NADH regeneration with high catalytic activity and minimal loss of activity despite repeated uses. It was demonstrated that a SiO2 beads-based platform can be successfully used for sustainable photoenzymatic synthesis. Photo- and bio-catalytic reaction components were separately immobilized on the surface of sub-micron colloidal SiO2 beads. The platform for a continuous and efficient supply of in situ regenerated cofactors should promise a sustainable photobiosynthesis of fine chemicals.
Chapter 5 describes the first employment nicotinamide coenzyme of analogs (e.g., APAD, PAAD, TNAD, and NAAD) as an artificial electron carrier for photoenzymatic synthesis under visible light. Through electrochemical and spectrofluorometric analyses for elucidating photochemical reduction behaviors of NAD and its analogs, It was found that APAD and PAAD exhibited more positive Ep than NAD and were photochemically reduced more efficiently while their reduced products showed coenzyme activity comparable to natural NAD. In contrast, TNAD formed a complex with the photosensitizer (i.e., EY) and NAAD possessed more negative Ep and a negative charge, making them poorer than NAD. The higher reduction efficiency of APAD significantly enhanced the conversion of GDH-catalyzed redox reaction coupled with in situ visible light-driven coenzyme regeneration.
Lastly in Chapter 6, visible light-driven photoenzymatic O-dealkylation reaction is performed by using a cell-free synthesized P450 BM3 monooxygenase variant (CYP102A1). The enzymatic activity of CYP102A1 was affected by the presence of electron mediator (M) and electron donor (TEOA) at high concentration. A sustainable photoenzymatic reaction of the P450 BM3 was performed through visible light-driven regeneration of NADPH from NADP+. It was demonstrated that the overall reaction rate and yield were dependent on the intensity and wavelength of incident light. The P450 biocatalysis, coupled with photochemical cofactor regeneration, suggests an excellent strategy for visible light-driven selective oxidation reaction.
자연계의 광합성을 모방하는 것은 태양광을 통해 새로운 형태의 재생가능한 에너지를 얻는데 매력적인 방법이다. 광합성의 과정에서 광자의 에너지가 염료감응형 광계에 흡수되고, 화학적 에너지로 저장되는데, 이는 캘빈 회로를 통해 탄수화물의 합성에 이용된다. 이 화학적 에너지는 광반응과 암반응 사이에서 재생되며 순환된다. 인공 광합성에서는, 광유기 전자전달 반응이 자연광합성에서의 광계의 역할을 대체할 수 있는 인공의 광수확 안테나를 통해서 일어나야 한다. 니코틴아마이드 및 플라빈 조효소의 효율적인 재생은 태양 에너지를 정밀화학물질로 전환하는데 결정적인 요소인데, 이는 캘빈 회로를 대체하여 작용하는 산화환원효소가 캘빈 회로에서와 같이 화학정량적인 양의 조효소를 산화환원 등가물로 요구하기 때문이다. 그러므로, 인공 광합성 시스템을 개발하기 위해서는, 가시광 영역에서 효율적인 광유래 전자전달 방법을 찾는 것이 중요하다.
산화환원효소는 일반적인 화학적 촉매들이 수행할 수 없는 어려운 산화환원반응을 수행할 수 있다. 복잡한 촉매반응에 대한 산화환원효소의 가용성은, 산화/환원 상태의 두가지 상반된 상태를 갖는 조효소를 화학정량적인 양으로 요구한다. 공업적인 생합성 분야에서 산화환원효소의 실질적 응용을 위해 니코틴아마이드 아데닌 다이뉴클레오타이드 (NADH)와 같은 조효소를 그 반대되는 상태에서 실시간으로 재생하기 위한 방대한 노력이 이루어져왔다. 2차효소를 사용하거나 화학적인 전극을 이용한 통상적인 조효소 재생방법은 촉매 불안정성과 낮은 특정활성 그리고 제한된 응용을 갖는 반면, 아직 개발 초기단계에 있는 광화학적인 조효소 재생방법은 깨끗하고 풍부한 태양 에너지를 활용하는 기회를 제공한다. 광화학적인 조효소 재생에 대해서는 불균일 반도체 입자나 가용성의 유기/유기금속 소재의 광감응제를 이용한 소수의 연구가 발표된 바 있다. 그러나, 광화학적인 접근방법은 아직 극히 낮은 전환 속도와 합성 수율을 보이는데, 이는 효율적인 광 수확 방법이 제시되지 않았기 때문이다.
Chapter 2 는 전자전달 매개체와 희생 전자주개의 존재하에서 가시광 유래 NADH 재생을 위한 분자 광감응제로서 Eosin Y의 첫 응용에 대해 기술하였다. 높은 전환 속도를 통한 효율적인 NADH 재생이 새로운 광감응제-전자전달 매개체 쌍을 통해 이루어 졌다. 글루타메이드 탈수소화효소를 통한 효소촉매반응과 연결된 광화학적 니코틴아마이드 조효소 재생이 염료감응형 인공광합성 시스템의 모델로써 성공적으로 수행되었다. Chapter 3에서는 Eosin Y가 포함된 크산텐 염료군이 고효율 NADH 광재생과 효소합성 반응을 위한 가시광 수확 촉매로 활용될 수 있다는 사실을 밝혔다. 크산텐 염료군의 광감응 반응은 눈에 띄는 조효소의 전환속도의 증가를 가져왔다. 로다민 군의 염료를 제외한 크산텐 염료에서 유기금속 매개체 와의 전자 주개 - 전자 받개 관계가 관찰되었다. 크산템 염료의 광 및 전기화학적 특성은 할로겐 원자 치환에 의해 영향을 받았는데, 이것이 전자제공 분자로부터 NADH재생의 촉매기능을 하는 매개체로의 효율적인 광유래 전자전달에 있어서 중요한 요소임이 밝혀졌다. 이 발견광효소적 합성반응에 대한 크산텐 염료의 우수한 성능은 태양광 유래의 효율적인 인공 광합성 시스템을 개발에 있어서 기반이 될 것으로 예상된다.
Chapter 4는 SiO2 입자에 증착된 CdS 나노입자를 이용한 지속가능형 광화학적 NADH 재생과 산화환원효소적 합성반응에 대해 다루고있다. SiO2 입자에 증착된 CdS 나노입자는 반복된 사용에 있어서 높은 촉매 활성과 낮은 활성 감소를 보이며 실시간적인 NADH 재생을 위한 가시광 흡수 광촉매로써 효과적으로 작용하였다. SiO2 입자 기반의 플랫폼은 지속가능한 광효소적 합성반응에 이용될 수 있음을 보여주었다. 광 및 생촉매적 반응 요소들이 마이크론 이하의 크기를 갖는 SiO2 입자에 각각 고정화되었다. 실시간 재생된 조효소의 지속적이고 효율적인 공급을 위한 플랫폼은 지속가능한 정밀화학물질의 생광합성을 위한 유망한 시스템으로 기대된다.
Chapter 5는 니코틴아마이드 조효소 유사체 (APAD, PAAD, TAND 및 NAAD) 의 가시광 하에서의광효소적 합성을 위한 인공적인 전자 전달 매개체로서의 첫 활용에 대해 기술하고 있다. NADH와 그 유사체의 광화학적 환원을 설명하기위한 전기화학적 및 분광/형광적인 분석을 통해, APAD와 PAAD가 NAD에 대해 더 높은 Ep를 갖고 광화학적으로 더 효율적으로 재생되며, 조효소로서 활성 또한 자연적인 NAD와 비슷한 수준이라는 것을 밝혔다. 반대로, TNAD는 광감응제와 복합체를 형성하였고 NAAD는 더 낮은 Ep와 전하상태를 가짐으로써 NAD에 비해 이점이 없는 것으로 나타났다. APAD의 높은 환원 효율은 실시간적인 가시광 유래 조효소 재생과 연결된 글루타메이트 탈수소화효소에 의한 산화환원 반응에서 향상된 전환율을 보였다.
마지막으로 Chapter 6에서는, 무세포 합성 방법으로 준비한 P450 BM3 모노산소첨가효소의 변종 (CYP102A1)을 이용하여 가시광유래 광효소적 O-알킬리이탈반응을 수행하였다. CYP102A1의 효소활성은 전자매개체와 전자주개의 농도가 높을 때 영향을 받았다. P450 BM3를 이용한 지속가능한 광효소반응이 NADP+로부터 NADPH의 가시광유래 재생반응을 통해 이루어졌다. 전체 반응속도와 수율은 조사광의 세기와 파장에 의존적인 것이 밝혀졌다. 광화학적 조효소 재생과 연결된 P450 바이오촉매 작용은 가시광유래의 선택적 산화반응을 위한 전략적인 방법을 제시한다.
