天工所张玲玲组Nat Com | 酶电催化二氧化碳还原成甲酸

学术 2024-12-03 12:05 日本

酶电催化是一种通过电化学手段为酶催化二氧化碳还原提供还原力的催化系统。相比传统的电化学催化方法，酶电催化的催化电位接近二氧化碳的理论还原电势，其过电势更低，此外，酶催化的选择性高。因此，酶电催化能实现更高的法拉第效率和能量效率。相比酶催化反应，酶电催化以电能代替酶催化所需要的昂贵辅因子如NAD(P)H，其成本更低。因此，酶电催化是实现二氧化碳高效转化的可行途径之一。然而目前酶电催化二氧化碳还原面临催化速率低以及酶获取困难的关键难题。开发高效的表达体系和高活性的酶元件对于提高酶电催化性能至关重要。

近期，中国科学院天津工业生物技术研究所体外合成生物学中心张玲玲研究员带领的酶电催化研究团队在电能驱动甲酸脱氢酶催化二氧化碳还原产甲酸方面取得重要进展。该工作以来源于厌氧菌Thermoanaerobacter kivui的氢依赖二氧化碳还原酶（TkHDCR）为研究对象。TkHDCR是由一个钨金属（W）依赖的甲酸脱氢酶、三个铁氧还原蛋白以及两个Fe-Fe氢酶组成的复合体。针对TkHDCR复合体的厌氧特性和获取困难的难题，团队建立了厌氧、异源的表达体系，首次实现了TkHDCR的异源表达。随后通过理性设计获取了优势突变体，获取电响应的二氧化碳还原模块，能通过电极驱动进行直接电催化二氧化碳还原。最后基于优势突变体，建立了高效的酶电催化二氧化碳还原产甲酸体系，在施加-500 mV vs. SHE恒压下，16 h内产生22.8 mM的甲酸，产甲酸速率可达7.1 μmol h^-1cm^-2，法拉第效率为98.9%，半电池能量效率达94.4%。该工作提供了一种高效的电响应的二氧化碳还原酶，为二氧化碳生物制造开辟了一条新途径。

TkHDCR的改造以建立酶电催化体系示意图

该研究得到天津市合成生物技术创新能力提升行动、中国科学院关键核心技术攻坚先导专项和中国科学院稳定支持基础研究领域青年团队计划的支持。研究成果已在Nature communications上发表。中国科学院天津工业生物技术研究所博士研究生刘伟松为论文第一作者，张玲玲研究员为论文的通讯作者。

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