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電子自旋：自由基酵素與奈米材料的永續催化

柯學初

教授，物理系

國立東華大學

(研發處綜合企劃組組長)

花蓮縣壽豐鄉志學村大學路二段一號97401

e-mail: ke@gms.ndhu.edu.tw;

電話: (886)(3) 890-3705

專業生涯發展

2021	東華一等學術獎章
2021	東華二等行政服務獎章
2019 – 2023	卓越領航計劃主持人, 科技部
2020 – 2026	特聘教授, 國立東華大學
2010 – 2016	特聘教授, 國立東華大學
2003, 2013, 2016	教學優良教師,國立東華大學理工學院
2007 – 2010	教授兼任奈米中心主任,國立東華大學
2007 – 今	教授,國立東華大學
2003	榮譽學者,生物化學系, University of Wisconsin-Madison, USA
2003 – 2007	副教授,國立東華大學
1999 – 2003	助理教授, 國立東華大學
1998 – 1999	研究助理教授, Emory University, Atlanta, USA
1997 – 1998	博士後研究員, Emory University, Atlanta, USA
1995 – 1997	博士後研究員, 醫學院, University of Alabama at Birmingham, USA
1991 – 1995	博士, University of Alabama at Birmingham, USA

教學 @ 東華大學

研究所

生物物理 I & II (2000 – 今)

高等材料與生物物理技術 (2002 – 今)

量子力學 I & II (2004 – 2007)

大學部

實驗物理技術 (2025 – 今)

普通物理 (1999 – 2004; 2010 – 今)

普通物理實驗 (2008 – 2017, 2019 – 今)

基礎物理實驗 (III) (2000 – 2006)

基礎物理實驗 (IV) (2006)

生活中的物理 (通識教育中心, 2000 – 2001)

教學 @ 慈濟大學 (兼任教授)

生物醫學物理(醫學系, 2012 – 2017)

研究興趣與重點

我們專注於分子層級的「催化科學」研究，透過探索核心問題，不僅深化對天然催化劑的理解，也啟發新一代催化劑的前瞻設計。催化科學的複雜性，本質上即是跨域多層面的問題。我們突破傳統物理、化學、材料與生化邊界，構築獨特且跨學科的探索平台，以回應自由基酵素學、永續能源與環境修復的全球挑戰。我們的研究主軸包括三大領域：

一、自由基酵素學

我們聚焦於自然界廣泛存在的 5′-去氧腺苷自由基 (5′-dAdo*)，這一攜帶電子自旋，反應活性極高的分子，是當代酵素研究的核心焦點。透過不同的化學機制，5'-脫氧腺苷鈷胺素(5'-dAdoCbl)和S-腺苷-L-甲硫氨酸(SAM)為5'-dAdo* 的生物來源。我們以 5′-dAdoCbl 相依的賴氨酸 5,6-氨基變位酶及 SAM 相依的谷氨酸 2,3-氨基變位酶作為模型酵素系統，兩者均需 5′-磷酸吡哆醛 (5′-PLP) 作為另一輔因子以促進催化反應。我們合成並同位素標定受質、抑制劑及輔因子，結合電子自旋共振 (ESR)、電子核子雙共振（ENDOR）及電子自旋回音 (ESE) 光譜技術，輔以密度泛函理論 (DFT) 計算，分析自旋—原子核精細結構、自旋—自旋與自旋—晶格交互作用，解析自由基分子結構特徵及其與蛋白質的互動。藉此，我們描繪完整的化學反應路徑級聯，揭示自由基酵素如何精準且細膩地控制高能 5′-dAdo* 的反應軌跡，以完成具有高度挑戰性的共價鍵斷裂與生成。<電子自旋回音簡介>

二、奈米材料催化

我們探討奈米材料電荷分離與界面電子轉移機制，發展具高效率、高穩定性的創新光觸媒材料。策略包括能隙工程（共聚、摻雜、異質結構）、過渡金屬錯合物偶聯（如釕–芳烴有機金屬配位錯合物/g-C₃N₄ 共軛體）等，應用於太陽能製氫、CO₂ 還原及環境污染物去除。我們建構多功能催化平台以推動高效 CO₂ 插入、CO₂環加成、三組分偶聯、[3+2] click 反應及 Knoevenagel 縮合等有機合成反應；並利用蛋殼廢料為基材，建立綠色催化系統合成 5′-PLP 衍生物，展現永續化學價值。近期，我們透過「一體化」光催化中心實現全球最高的太陽能製氫量子產率。

目前，我們正將胞質型硝酸還原酶 (NarB) 共價嫁接至苯甲酸官能化 g-C₃N₄，開發可見光驅動的「酵素—雙官能分子鏈結子—半導體」生物複合系統，用於還原水源中高度危害性的硝酸鹽。選用 NarB 的原因在於其 [4Fe–4S] 簇在機制上能與太陽能驅動的電子轉移高度相容。我們提出的概念，如今在蛋白質結構與異質材料互動的深刻洞見指引下逐步化為現實，並奠立了催化材料的新設計原則。

三、光譜技術與分析方法創新

我們自製奈秒解析脈衝電子自旋回音光譜儀，開發量子力學程式解析酵素自旋—自旋耦合機制；自製拉曼光譜儀並整合古典正則座標分析與密度泛函理論模擬振動光譜。同時結合 TEM 奈米顆粒形貌，客製化模擬自旋–軌道分裂的XPS譜線，凸顯在表面分析中納入真實結構特徵的重要性，並提供奈米尺度催化劑電子結構變化的新見解。此外，我們透過分子嵌合模擬與生物物理化學方法，合成與研究釕–芳烴有機金屬配位錯合物的抗癌活性與選擇性。

願景與培育

我們的願景是推動催化科學的未來：揭示自由基酵素的催化奧秘，並開發能將陽光與廢棄物轉化為潔淨能源與高價值化學品的綠色催化材料。我們提供學生與研究人員跨領域的完整訓練，從基因與蛋白質工程、有機與奈米材料合成、光譜分析、理論計算，到高頻電磁波電路設計，使成員掌握稀有且高度可轉移的專業技能，迎接科學與技術前沿挑戰。我們歡迎來自各領域的學生與研究人員加入我們的探索之旅。

研究設施

基因突變、細菌培養、蛋白質純化、材料合成和光譜樣品製備等生化設備、HPLC、GC、紫外-可見光譜儀、Bruker EMX 連續波 EPR 和 ENDOR 光譜儀、自製脈衝 ESR 光譜儀、自製巨觀拉曼光譜儀、Gaussian09 和 GAMESS計算軟體。校園內其他設施（XRD、XPS、Mass、SEM、TEM ...）。

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博士後職位或碩、博士研究助理職位。領域含自由基酶機制學、奈米材料化學和脈衝 ENDOR 儀器製造。聘期最長4年，薪資按科技部薪資表計算。查詢以及您的簡歷，請e-mail至ke@gms.ndhu.edu.tw

碩博士論文及大學部專題研究方向

學生的教育和培訓是實驗室重要的一環。論文項目選擇含自由基酶學、奈米材料化學/製造、和EPR光譜（微波技術/儀器/寫程式）領域，這些本質上是多學科多層面思考的問題。我們歡迎其他系所的同學加入。同學們將有機會掌握各種非常有利於他們專業發展的技能。如果您想了解更多有關實驗室的研究機會，請e-mail至ke@gms.ndhu.edu.tw 與我聯繫。

誌謝

感謝科技部資助我們的研究（1999年至今）

代表性著作

1	JR Chen, SC Ke, An all-in-one cytosine fused dihydroisoquinoline reaction center with ultralow Pt loading for excellent solar-to-hydrogen production, Applied Catalysis B: Environmental and Energy 357, 124309, (2024)
2	Ragesh Nath R, SC Ke, Boosting the Photocatalytic Performance of Swiftly Produced Carbon Nitride: Impact of Cyano Group and Oxygen Doping within the Matrix, International Journal of Hydrogen Energy 83, 276-289, (2024)
3	M Muralisankar, JR Chen, JR Haribabu, SC Ke, Effective and Selective Ru (II)-Arene Complexes Containing 4, 4′-Substituted 2, 2′ Bipyridine Ligands Targeting Human Urinary Bladder Cancer Cells, Int. J. Mol. Sci, Vol.24, No.15, 11896, (2023)
4	S Yesmin, SJ Abbas, SC Ke, A Powerful and Multifunctional Catalyst for Organic Synthesis, Transformation, and Environmental Remediation: A polyImidazole Supported Trimetallic Catalyst, Applied Catalysis B: Environmental 316, 121629, (2022)
5	JR Chen, TX Ke, PA. Frey, SC Ke, Electron Spin Echo Envelope Modulation Spectroscopy Reveals How Adenosylcobalamin-Dependent Lysine 5,6-Aminomutase Positions the Radical Pair Intermediates and Modulates Their Stabilities for Efficient Catalysis, ACS Catal 11, 14352−14368, (2021)
6	SR Sahoo, SC Ke, Spin-orbit coupling effects in Au 4f core-level electronic structures in supported low-dimensional gold nanoparticles, Nanomaterials 11, 554-568 (2021)
7	DB Nimbalkar, PVRK Ramacharyulu, SR Sahoo, JR Chen, CM Chang, A Maity, SC Ke, Dual Roles of [NCN]^2- on Anatase TiO2: A Fully Occupied Molecular Gap State for Direct Charge Injection into the Conduction Band and an Interfacial Mediator for the Covalent Formation of Heterostructured g-C3N4/a-TiO2 Nanocomposite, Applied Catalysis B: Environmental 273 119036, (2020)
8	JR Chen, SC Ke, Magnetic Field Effect on Coenzyme B12 and B6 -Codependent Lysine 5,6-Aminomutase: Switching of J-Resonance Through a Kinetically Competent Radical-Pair Intermediate, Phys. Chem. Chem. Phys. 20, 13068 (2018)
9	SR Sahoo, PVRK Ramacharyulu, SC Ke, Impact of Nonideal Nanoparticles on X-ray Photoelectron Spectroscopic Quantitation: An Investigation Using Simulation and Modeling of Gold Nanoparticles, Analytical Chemistry 90, 1621 (2018)
10	SJ Abbas, PVRK Ramacharyulu, HH Lo, SI Ali, SC Ke, A catalytic approach to synthesis of PLP analogs and other environmental protocols in a single handed CaO/TiO2 green nanoparticle, Applied Catalysis B: Environmental, 210, 276 (2017)
11	HH Lo, HH Lin, AN Maity, SC Ke, The Molecular Mechanism of the Open-Closed Protein Conformational Cycle Transitions and Coupled Substrate Binding, Activation and Product Release Events in Lysine 5,6-Aminomutase, Chemical Communications, 52, 6399 (2016)
12	AN Maity, HH Lin, HS Chiang, HH Lo, SC Ke, The Reaction of PLP-NO with Lysine 5,6-Aminomutase: Enzyme Flexibility towards Cofactor Analog, ACS Catalysis, 5, 3093 (2015)
13	YH Chen, AN Maity, PA Frey, SC Ke, Mechanism Based Inhibition Reveals Transitions Between Two Conformational States in the Action of Lysine 5,6-Aminomutase: A Combination of EPR , ENDOR and DFT Study, J. Am. Chem. Soc., 135, 788 (2013)
14	AN Maity, AC Shaikh, S Srimurugan, CJ Wu, C Chen, SC Ke, Synthesis of 4-thia-[6-13C]lysine from [2-13C]glycine: access to site-directed isotopomers of 2-aminoethanol, 2-bromoethylamine and 4-thialysine, Amino Acids, 42, 309 (2012)
15	YH Chen, AN Maity, YC Pan, PA Frey, SC Ke, Radical Stabilization is Crucial in the Mechanism of Action of Lysine 5,6-Aminomutase: Role of Tyrosine-263a as Revealed by Electron Paramagnetic Resonance Spectroscopy, J. Am. Chem. Soc., 133, 17152 (2011)
16	NO Gopal, HH Lo, SC Sheu, SC Ke, A Potential Site for Trapping Photogenerated Holes on Rutile TiO2 Surface as Revealed by EPR Spectroscopy: An Avenue for Enhancing Photocatalytic Activity, J. Am. Chem. Soc., 132, 10982 (2010)
17	NO Gopal, HH Lo, SC Ke, Chemical State and Environment of Boron Dopant in B,N-Codoped Anatase TiO2 Nanoparticles: An Avenue for Probing Diamagnetic Dopants in TiO2 by Electron Paramagnetic Resonance Spectroscopy, J. Am. Chem. Soc., 130, 2760 (2008)
18	RJ Dai, SC Ke, Detection and Determinants of the {Fe(NO)2} core vibrational features in Dinitrosyl-Iron complexes from Experiment, Normal Coordinate Analysis and Density Functional Theory: An Avenue for Probing the Nitric Oxide Oxidation State, J. Phys. Chem. B, 111, 2335 (2007)

學院外的興趣: 木工