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为解决膜结合的直接电子转移（DET）型多聚脱氢酶结构难解析问题，研究人员开展其结构生物电化学研究。借助冷冻电镜（cryo-EM）等技术，揭示了多种酶结构及 DET 机制，推动生物电化学发展，助力仿生设备构建。
在生命的微观世界里，酶就像一个个勤劳的小工匠，默默地催化着各种化学反应。其中，氧化还原酶负责在电子的世界里搬运 “货物”，进行电子转移（ET）的工作。而生物电催化，就是把酶的催化反应和电极反应巧妙地结合起来，这一过程就像是给酶找到了一个 “电化学伙伴”，两者携手合作，为我们展现出许多神奇的化学反应。
在生物电催化的众多类型中，直接电子转移（DET）型反应独具魅力。在这个反应里，酶不需要借助任何 “中间人”（氧化还原介质），就能直接和电极 “对话”、传递电子。基于 DET 型反应制造的设备，不仅成本低、设计灵活，还十分环保、生物相容性好，就像给生物电化学领域注入了一股新鲜血液。
然而，这个领域却面临着一个棘手的问题。许多 DET 型多聚脱氢酶都是膜结合蛋白，它们就像一群 “害羞” 的家伙，躲在细胞膜这个 “小房子” 里，用传统的 X 射线晶体学方法很难看清它们的全貌，导致这些酶的整体空间结构几十年来都神秘莫测。这就好比我们要建造一座大厦，却没有详细的图纸，严重阻碍了生物电化学的进一步发展。
为了攻克这个难题，来自国外的研究人员踏上了探索之旅。他们聚焦于 DET 型多聚脱氢酶，深入开展结构生物电化学研究。这一研究成果意义非凡，为生物电化学领域带来了新的曙光，相关论文发表在《Bioelectrochemistry》上。
研究人员在探索过程中使用了多种关键技术。冷冻电镜（cryo-EM）和单颗粒图像分析技术是他们的 “得力助手”。冷冻电镜就像是一台超级显微镜，能在不结晶的情况下，快速对小体积样本进行结构分析，帮助研究人员揭开酶结构的神秘面纱。蛋白质工程技术也发挥了重要作用，通过改造蛋白质，研究人员可以探究辅酶和氨基酸残基在催化、分子内电子转移以及酶与电极界面电子转移中的作用。电化学技术则从电极电位（热力学参数）和催化电流（动力学参数）的角度，对 DET 型反应进行深入探讨。
果糖、酒精和醛脱氢酶的 DET 机制
葡糖杆菌属（Gluconobacter sp.）在氧化醇、醛、糖等化合物时，膜结合脱氢酶在呼吸作用中发挥关键作用。研究人员借助上述技术，对来自日本葡糖杆菌（G. japonicas）的果糖脱氢酶（FDH）、氧化葡萄糖酸杆菌（G. oxydans）的酒精脱氢酶（ADH）和醛脱氢酶（ALDH）进行研究，解析了它们的结构，发现这些酶通过特定的结构域和氨基酸残基实现与电极的直接电子转移，从而推动底物氧化。
葡萄糖脱氢酶的 DET 机制
来自洋葱伯克霍尔德菌（Burkholderia cepacia）的膜结合葡萄糖脱氢酶（GDH）是研究 d - 葡萄糖氧化的 DET 型生物催化剂。研究人员在大肠杆菌（Escherichia coli）中异源表达了 GDH，并通过 X 射线晶体学解析了部分结构。GDH 是由 L、C、S 亚基组成的异源三聚体酶，L 亚基含有 FAD 作为催化中心。研究发现，各亚基间的协同作用以及特定氨基酸残基对维持酶的活性和电子转移效率至关重要。
甲酸脱氢酶的 DET 机制
金属依赖（含 Mo 或 W）的甲酸脱氢酶（FoDH）家族可用于甲酸和二氧化碳（CO2）的生物电化学相互转化，在二氧化碳捕获与利用（CCU）技术中前景广阔。研究人员对来自甲基弯曲菌（Methylorubrum extorquens）等的 3 种 DET 型 FoDH 进行结构表征，发现其活性位点结构和电子传递路径与二氧化碳固定功能密切相关。
研究人员借助冷冻电镜等先进技术，成功解析了多种 DET 型多聚脱氢酶的结构，揭示了它们的直接电子转移机制。这不仅让我们对这些酶的工作原理有了更深入的理解，还为后续的蛋白质工程改造提供了理论依据。通过合理设计酶的结构，可以开发出更高效的生物电催化剂，推动生物电化学在仿生设备、能源转化、环境修复等领域的广泛应用。同时，结构生物电化学这一新兴交叉领域也展现出强大的生命力，为解决生命科学和生物工程中的复杂问题提供了新的思路和方法，有望开启生物催化的新篇章，让生物电化学更好地服务于人类社会。
