甲醛对[NiFe]-氢化酶的非常规激活作用：蛋白质膜电化学与红外光谱的启示

本研究通过蛋白质膜电化学(PFE)和红外光谱(FTIR)技术，揭示了甲醛(HCHO)在酸性条件下对大肠杆菌[NiFe]-氢化酶Hyd-2的双向调控作用：抑制H2生成但激活H2氧化，为氢化酶的催化机制优化及生物燃料电池应用提供了新思路。

　　

氢化酶作为自然界最高效的氢代谢催化剂，其催化效率可与贵金属铂媲美。其中[NiFe]-氢化酶以其卓越的H₂氧化能力著称，而[FeFe]-氢化酶则以高产氢性能见长。这些金属酶在生物能源领域（如生物燃料电池、绿氢生产）展现巨大潜力，但其催化机制仍存在诸多未解之谜。小分子抑制剂研究是解析催化机理的重要突破口，甲醛(HCHO)作为已知的[FeFe]-氢化酶强效抑制剂，对[NiFe]-氢化酶的作用却存在显著差异——这一反常现象引发了研究人员的浓厚兴趣。

针对这一科学问题，来自某研究所的Lei Wan团队在《Bioelectrochemistry》发表研究，通过蛋白质膜电化学(PFE)和红外光谱(FTIR)技术，系统考察了HCHO对大肠杆菌[NiFe]-氢化酶Hyd-2的双向调控效应。研究发现：在pH 5.0-6.0的酸性条件下，HCHO能显著增强H₂氧化活性（电流提升10%），却始终抑制H₂生成；而在碱性环境中，这种激活效应完全逆转。FTIR分析未检测到新的酶-抑制剂加合物，表明HCHO可能通过动态调控质子传递途径(PTP)来影响催化效率。

关键技术方法
研究采用旋转盘电极系统进行蛋白质膜电化学(PFE)测试，通过循环伏安法(CV)和计时电流法(CA)量化催化活性；利用光学透明薄层电化学池(OTTLE)结合红外光谱(FTIR)监测活性中心结构变化；选用HEPES缓冲体系(pH 5.0-8.0)考察pH依赖性；通过缓冲液置换实验验证效应可逆性。

研究结果

1. 电化学特征分析
   CV曲线显示：在100% H₂环境中，135 mM HCHO使H₂氧化电流增加10%，而在N₂氛围中H₂生成活性降低50%。CA实验证实该效应具有快速响应（<1分钟）和完全可逆性。

2. pH依赖性调控
   pH 5.0时激活效应最显著（电流增幅>10%），pH 7.0时效应消失，pH 8.0则转为抑制。对照实验排除了HCHO溶剂化作用或杂质干扰的可能性。

3. 光谱学证据
   FTIR谱图中1950-2000 cm^-1区间的特征峰（Ni-SI_a 1946 cm^-1、Ni-C 1967 cm^-1）未出现位移或新峰，表明HCHO未形成稳定加合物，但可能通过瞬态相互作用影响催化循环动力学。

机制讨论
研究提出双重作用模型：在H₂氧化过程中，HCHO的羰基氧在酸性条件下质子化，可能协助活性中心质子的释放；而在H₂生成时，其与金属氢化物(Ni-R/Ni-C态)竞争性质子捕获导致抑制。这种pH依赖性与关键半胱氨酸残基(C546)的质子化状态密切相关——碱性条件下其去质子化的硫醇盐更易与HCHO发生不可逆反应。

该研究首次报道了小分子对氢化酶的双向调控现象，为设计pH响应型生物电催化剂提供了新策略。尤其在生物燃料电池领域，通过优化电解质pH可同时利用HCHO的激活效应（提升阳极H₂氧化效率）并规避其抑制效应。未来研究可结合时间分辨光谱和理论计算，进一步阐明HCHO与瞬态催化中间体的相互作用机制。