中科院天工所张玲玲组 Nat Comm 通过工程化甲酸脱氢酶进行生物电催化二氧化碳还原

文摘   2024-11-21 20:03   辽宁  

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摘要
利用二氧化碳还原酶进行电催化二氧化碳 (CO2) 还原是一种很有前途的生物制造方法。在所有已知的生物或化学催化剂中,来自Thermoanaerobacter kivui (TkHDCR) 的氢依赖性二氧化碳还原酶对 CO2 还原具有最高的活性。本研究设计了 TkHDCR 以产生电响应性二氧化碳还原酶,建立了重组大肠杆菌 TkHDCR 过表达系统。通过亚基截断和理性设计获得甲酸脱氢酶,从而实现直接电子转移 (DET) 型生物电催化,过电位接近于零。通过在介导电解池上施加恒定电压 −500 mV(vs. SHE),16 小时内合成 22.8±1.6 mM 甲酸盐,平均生产率为 7.1±0.5 μmol h−1 cm−2 ,法拉第效率为 98.9%,半电池能量效率为 94.4%。本研究为高效 CO2 还原提供了一种酶候选物,并为开发基于 CO2 的生物制造范式开辟了一条道路。
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研究内容

图1. 本研究示意图。步骤1:T. kivui 来源的 HDCR 在 E. coli 中异源表达,步骤 2:通过截短 HDCR 获得甲酸脱氢酶模块,步骤 3:通过理性设计获得稳健突变体 FdhF_HycB3Δ159-184,步骤 4:基于 FdhF_HycB3Δ159-184 构建生物电催化系统。

图2. 在大肠杆菌MC1061中异源表达HDCR复合物的策略

图3. TkHDCR 的截断。a 三种 TkHDCR突变体的示意模型。b TkHDCR 突变体用于甲酸盐氧化的周转频率。c TkHDCR 突变体用于 CO2 还原的周转频率。

图4. 理性设计FdhF_HycB3以提高催化活性。a 工程策略。b FdhF_HycB3 和 FdhF_HycB3Δ159-184 向甲酸盐氧化和 CO2 还原的转换频率。c FdhF_HycB3Δ159-184 催化甲酸盐氧化和 CO2 还原的温度曲线。

图5. FdhF_HycB3Δ159-184/CNT/GC 电极的电催化表征

图6. 在 FdhF_HycB3Δ159-184 电极上从 CO2 电合成甲酸盐。a 通过直接电子转移进行电催化;(b) 通过直接电子转移电催化产生甲酸盐;(c) 通过在电解质中添加 0.2 mM MV 通过介导电子转移进行电催化;(d) 通过介导电子转移电催化产生甲酸盐。

综上,本研究利用大肠杆菌实现了TkHDCR的便捷高效异源表达,为电响应二氧化碳还原酶的酶工程化及其大规模生产奠定了基础

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论文相关信息

文章信息:Bioelectrocatalytic carbon dioxide reduction by an engineered formate dehydrogenase from Thermoanaerobacter kivui

文章链接:https://doi.org/10.1038/s41467-024-53946-3

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