自由基的未配對電子使其有極高的活性與不穩定性。但並不是所有的自由基都「壞」且會對人體造成傷害。大自然中也有許多扮演重要角色的「好」自由基。我們利用自組的電子自旋回音光譜儀結合密度泛函理論計算，來探索如何產生好自由基及潛藏在背後的自由基反應機制。在離胺酸5,6胺基異位酶(5,6-LAM)中，輔酵素B12會產生高能量的5'-去氧腺苷自由基(5'-Ado)，以啟動調控共價鍵斷裂與生成的催化反應；而5'-Ado在大自然的生物體中則到處可見。配合輔酵素B6的協助及蛋白質完美的構型變化，5,6-LAM則可巧妙並具專一性的控制自由基的反應軌跡，以克服在化學上極具挑戰的相鄰碳之間的1,2-氨基重組反應。另一個例子，我們利用氰胺(NCN2-)當做可見光的感光劑，功能化二氧化鈦的奈米顆粒生成電子—電洞自由基對，以產生綠能氫氣或為環境防治之用，是「好」自由基。同時，5,6-LAM的活性區對受質的接受度高，因此做為生物催化劑在製藥合成產業中具有一定的潛力。而NCN2-—TiO2能將氰胺π電子直接激發到Ti 3d軌域的特性，在光電池上也有很好的發揮空間。自由基酵素學與奈米材料的自由基研究很自然地牽涉到不同的學科知識，因此，對博士後和學生進行相關教育和培訓，掌握從基因調控的生化技術到高頻微波電路工程的各種技能，也是我們實驗室的重要工作。

好與壞的自由基。

　　大自然中有「壞」與「好」的自由基。而大眾多認定自由基是壞的，因如癌症、老化、糖尿病及阿茲海默症等病症都與自由基或其在病理狀態所扮演的角色有關。然而，生物訊息預測大自然存在超過十萬種酵素駕馭著好自由基進行極具挑戰的化學反應。自由基酵素學已成為酵素學的主流。另一方面，在光觸媒表面調控電子—電洞自由基對以啟動化學反應的研究，也引起奈米材料學界的重視。未來十年，好自由基的研究將令人期待。

　　自由基指含未配對電子的原子或分子。電子自旋共振(ESR)可提供自由基的結構、位置及它如何與周圍分子交互作用進而預測反應路徑訊息，因此ESR是描繪自由基行為的第一選擇。藉由科技部補助，柯博士建構了「奈秒脈衝電子自旋回音光譜儀」。其建構原則與設計在硬體和軟體上都很有彈性且應用廣泛，也確保可融入蓬勃發展中的技術。此光譜儀有兩項獨特功能是商業儀器欠缺的：(1) 2-18 GHz寬頻微波操作，可改變基曼效應與電子—原子核精細結構和核四極分裂之間的相互影響；(2)同步雷射-ESR脈衝可擷取自由基瞬間的結構變化。此光譜儀對外無條件完全開放。

圖一：自建奈秒解析寬頻微波脈衝電子自旋回音光譜儀。
 

柯教授研究團隊對於好自由基的研究分主要為兩部份：

1)　了解自由基在酵素內如何參與共價催化。自然中，隨處可見酵素利用5'-Ado啟動自由基催化反應。我們認為5'-Ado自由基分子內部隱藏未知的自我穩定機制，大自然則藉此精準調控反應的進行。透過不同的化學方式分析，5'-Ado的生物來源為維生素B12及SAM。演化上，結構精美的B12是SAM的子孫，然而與SAM相依的酵素數量卻是遠遠超過B12。我們以5,6-LAM(B12相依)及2,3-GAM(SAM相依)為例，探索大自然為何持續選用古老(光合作用前)的{[4Fe-4S]-SAM}構造作為5'-Ado的生產機制，而非進化後的B12。兩酵素均需維生素B6的參與以達成困難的異構化反應，因此我們合成受質及輔酵素的類似物，藉以觀察催化過程的細節。自由基酵素學的複雜性是跨域多層面的問題，團隊整合生化、酵素、有機合成、密度泛函計算及光譜技術，在分子的象限探討自由基催化反應的機制。關於5,6-LAM的部份研究成果已發表於頂級期刊，並被譯為反應坐標圖。因5,6 LAM對受質專一性的選擇較廣，及以我們對其受質—蛋白質交互作用機制的瞭解，推測此酵素適合發展為合成藥物建構模組的生物催化劑。

 圖二：離胺酸5,6胺基異位酶的自由基反應機制圖(詳見文獻)

2)　TiO2或g-C3N4光電子—電洞的運動動力學。我們合成可增強分離電子—電洞的新材料以強化光催化效率，並在其它半導體設計新的活化分子發展穩定結合生物材料的步驟以進行不同的催化應用。主要的結果有透過TiO2進行高效率、高選擇性的B6類似物合成；新穎高效的電洞捕捉結構(將鈦原子擴散至表面裂解氧氣，同步形成島嶼式TiO2)；新穎有機分子跟TiO2/g-C3N4異質結構形成間隙能階。相關成果已發表於期刊且繪製成圖表。特別有趣的是，新穎的NCN2--TiO2催化劑可將氰胺π電子直接激發至TiO2導帶而留電洞於氰胺。這獨特的性質很值得於光電池應用上進一步探索。

圖三：有機合成、無氧蛋白質純化、奈米材料修飾、密度泛函計算示意圖(詳見文獻)

　　未來，團隊將持續教育培訓學生和博士後研究員，掌握從基因調控到高頻微波工程跨域多層面的思考能力及各種技能。