Nature Commun | 中科院天津工業生物所張玲玲實現高效耐氧電催化CO?還原

隨著全球二氧化碳排放引發的環境與氣候危機日益嚴峻，如何將這一豐富的廢棄碳資源轉化為高值化學品成為研究熱點。相較于傳統的金屬基電催化劑需克服高過電位帶來的能量損耗，生物電催化因其能夠在溫和條件下高效、選擇性地還原CO?而備受關注。其中，甲酸脫氫酶（FDH）能夠在接近熱力學平衡電位下催化CO?與甲酸的可逆轉化，是實現低碳生物轉化的理想工具。然而，現有FDH普遍面臨兩大瓶頸：一是酶與電極界面的電子傳遞效率低下；二是對氧氣的極度敏感導致酶在空氣中迅速失活，嚴重制約了其在真實場景下的應用前景。

近日，中科院天津工業生物技術研究所張玲玲研究員團隊在《Nature Communications》發表題為《An interfacial-intramolecular electron highway for accelerated electrocatalytic CO? reduction by an O? tolerant formate dehydrogenase》的研究論文。該團隊通過AI輔助酶挖掘技術，從Shewanella oneidensis MR-1中發現并表征了一個兼具高催化活性與完全氧氣耐受性的鎢依賴性甲酸脫氫酶SoFdhAB，并通過冷凍電鏡解析其分子機制，為高效生物電催化CO?還原提供了全新候選工具。

研究首先通過AI輔助酶挖掘篩選出具有高活性和氧氣耐受性的FDH候選酶SoFdhAB。酶活測定顯示，SoFdhAB催化CO?還原的kcat達52.5 s?1，是此前報道的TkFdhF的五倍，且在整個表達、純化和儲存過程中對氧氣完全不敏感。與僅含催化亞基的SoFdhA相比，SoFdhAB表現出完整活性，證實其電子傳遞亞基FdhB對維持酶功能至關重要。電感耦合等離子體質譜分析表明，SoFdhAB每分子含有一個鎢中心和約五個[4Fe-4S]簇，進一步支持其高效電子傳遞能力的結構基礎。

在電化學表征中，SoFdhAB修飾的碳納米管電極展現出優異的直接電子傳遞性能，其CO?還原電流密度達4.1 mA cm?2，界面電子傳遞效率超過90%。旋轉圓盤電極實驗表明，反應受酶動力學主導，表觀KM為4.8 mM，提示其對CO?親和力適中。通過不同功能化電極的比較，研究發現SoFdhAB通過氫鍵和π-π堆積作用在電極表面實現定向固定，而非簡單的靜電吸附，這種多重弱相互作用的協同效應賦予了其高效穩定的界面電子傳遞能力。

冷凍電鏡解析了SoFdhAB 2.75 ?分辨率的結構，揭示了由五個[4Fe-4S]簇構成的“電子高速公路”，簇間距均小于10.6 ?，確保電子快速隧穿至活性中心。位于FdhB亞基末端的B4簇距蛋白表面僅4.3 ?，周圍環繞Y94、Y97和F112等芳香殘基，構成與電極相互作用的“分子界面”。點突變實驗表明，Y94S變體因縮短側鏈、增強氫鍵作用，使催化電流提升1.5倍，而IET效率仍保持在0.9以上，證實了該區域對定向固定和高效電子傳遞的關鍵作用。

研究進一步揭示了SoFdhAB的氧氣耐受機制。與需DTT還原激活的DvH-FDH不同，SoFdhAB的活性不受DTT處理影響。結構比對發現，其底物通道由H653、V666、Y776和T927共同調控，而非依賴二硫鍵開關。Y776A和Y776A/T927A變體在需氧表達條件下活性顯著下降，但在厭氧條件下可恢復，表明這些殘基在氧氣保護中發揮關鍵作用。這一機制無需還原激活，賦予了SoFdhAB優異的氧氣耐受性。

基于Y94S變體構建的氨基化碳納米管/碳紙電極在H型電解池中實現64小時穩定運行，甲酸累積量達2.88 mmol，產率45.3 μmol h?1 cm?2，法拉第效率93.1%。在含10% CO?和20% O?的混合氣及模擬合成氣（40% CO?/40% CO/20% H?）中，電極仍保持良好活性，產率分別達46.4和23.6 μmol h?1 cm?2，驗證了其在復雜工業氣體環境中的應用潛力。該性能遠超此前報道的DvH-FDH和FdhF_HycB3Δ159-184體系。

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