隨著全球二氧化碳排放引發(fā)的環(huán)境與氣候危機(jī)日益嚴(yán)峻，如何將這一豐富的廢棄碳資源轉(zhuǎn)化為高值化學(xué)品成為研究熱點(diǎn)。相較于傳統(tǒng)的金屬基電催化劑需克服高過(guò)電位帶來(lái)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(guān)注。其中，甲酸脫氫酶（FDH）能夠在接近熱力學(xué)平衡電位下催化CO?與甲酸的可逆轉(zhuǎn)化，是實(shí)現(xiàn)低碳生物轉(zhuǎn)化的理想工具。然而，現(xiàn)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(duì)氧氣的極度敏感導(dǎo)致酶在空氣中迅速失活，嚴(yán)重制約了其在真實(shí)場(chǎng)景下的應(yīng)用前景。

近日，中科院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所張玲玲研究員團(tuán)隊(duì)在《Nature Communications》發(fā)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(tuán)隊(duì)通過(guò)AI輔助酶挖掘技術(shù)，從Shewanella oneidensis MR-1中發(fā)現(xiàn)并表征了一個(gè)兼具高催化活性與完全氧氣耐受性的鎢依賴(lài)性甲酸脫氫酶SoFdhAB，并通過(guò)冷凍電鏡解析其分子機(jī)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(guò)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(cè)定顯示，SoFdhAB催化CO?還原的kcat達(dá)52.5 s?1，是此前報(bào)道的TkFdhF的五倍，且在整個(gè)表達(dá)、純化和儲(chǔ)存過(guò)程中對(duì)氧氣完全不敏感。與僅含催化亞基的SoFdhA相比，SoFdhAB表現(xiàn)出完整活性，證實(shí)其電子傳遞亞基FdhB對(duì)維持酶功能至關(guān)重要。電感耦合等離子體質(zhì)譜分析表明，SoFdhAB每分子含有一個(gè)鎢中心和約五個(gè)[4Fe-4S]簇，進(jìn)一步支持其高效電子傳遞能力的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。

在電化學(xué)表征中，SoFdhAB修飾的碳納米管電極展現(xiàn)出優(yōu)異的直接電子傳遞性能，其CO?還原電流密度達(dá)4.1 mA cm?2，界面電子傳遞效率超過(guò)90%。旋轉(zhuǎn)圓盤(pán)電極實(shí)驗(yàn)表明，反應(yīng)受酶動(dòng)力學(xué)主導(dǎo)，表觀(guān)KM為4.8 mM，提示其對(duì)CO?親和力適中。通過(guò)不同功能化電極的比較，研究發(fā)現(xiàn)SoFdhAB通過(guò)氫鍵和π-π堆積作用在電極表面實(shí)現(xiàn)定向固定，而非簡(jiǎn)單的靜電吸附，這種多重弱相互作用的協(xié)同效應(yīng)賦予了其高效穩(wěn)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(jié)構(gòu)，揭示了由五個(gè)[4Fe-4S]簇構(gòu)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?chē)h(huán)繞Y94、Y97和F112等芳香殘基，構(gòu)成與電極相互作用的“分子界面”。點(diǎn)突變實(shí)驗(yàn)表明，Y94S變體因縮短側(cè)鏈、增強(qiáng)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(shí)了該區(qū)域?qū)Χㄏ蚬潭ê透咝щ娮觽鬟f的關(guān)鍵作用。

研究進(jìn)一步揭示了SoFdhAB的氧氣耐受機(jī)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(jié)構(gòu)比對(duì)發(fā)現(xiàn)，其底物通道由H653、V666、Y776和T927共同調(diào)控，而非依賴(lài)二硫鍵開(kāi)關(guān)。Y776A和Y776A/T927A變體在需氧表達(dá)條件下活性顯著下降，但在厭氧條件下可恢復(fù)，表明這些殘基在氧氣保護(hù)中發(fā)揮關(guān)鍵作用。這一機(jī)制無(wú)需還原激活，賦予了SoFdhAB優(yōu)異的氧氣耐受性。

基于Y94S變體構(gòu)建的氨基化碳納米管/碳紙電極在H型電解池中實(shí)現(xiàn)64小時(shí)穩(wěn)定運(yùn)行，甲酸累積量達(dá)2.88 mmol，產(chǎn)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(chǎn)率分別達(dá)46.4和23.6 μmol h?1 cm?2，驗(yàn)證了其在復(fù)雜工業(yè)氣體環(huán)境中的應(yīng)用潛力。該性能遠(yuǎn)超此前報(bào)道的DvH-FDH和FdhF_HycB3Δ159-184體系。

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