介孔二氧化硅共固定化FDH-GlyDH耦合电化学辅因子再生促进CO2 高效转化

本研究针对FDH（甲酸脱氢酶）与GlyDH（甘油脱氢酶）多酶系统在CO2 转化中因反应速率失衡导致的效率瓶颈，创新性地将酶共固定化与电化学NADH再生技术结合。通过优化介孔二氧化硅（MSU-F）载体上的酶比例与电化学调控策略，实现了17 mM DHA（1,3-二羟基丙酮）和2.75 mM甲酸盐的最大产量，为碳捕获和NAD(H)依赖型多酶系统优化提供了新范式。

　　

研究背景与意义
在全球碳中和背景下，如何将温室气体CO₂
转化为高附加值化学品成为研究热点。甲酸脱氢酶（FDH）和甘油脱氢酶（GlyDH）组成的多酶系统，能够利用CO₂
和生物柴油副产物甘油，同步生产储能介质甲酸盐和医药原料1,3-二羟基丙酮（DHA），同时实现NAD(H)辅因子循环。然而，游离酶的不稳定性、两酶反应速率不匹配（GlyDH比FDH快5倍）、产物抑制等问题严重制约系统效率。更棘手的是，传统共固定化策略虽能提升酶稳定性，却无法解决辅因子供给失衡这一核心矛盾。

智利天主教大学（PUCV）与意大利都灵理工大学合作团队在《Microporous and Mesoporous Materials》发表的研究，首次将介孔二氧化硅（MSU-F）共固定化技术与电化学NADH再生相结合，通过精确调控酶比例与电化学参数，突破多酶级联反应的动力学限制。

关键技术方法
研究采用氨基功能化介孔二氧化硅（MSU-F）共价固定FDH和GlyDH，通过N₂
吸附测定载体孔径分布（平均孔径12.7 nm）；利用循环伏安法（CV）和计时电流法（CA）优化电化学NAD⁺
还原条件；建立两室电解槽（Nafion 117膜分隔）防止NADH氧化；通过HPLC定量甲酸盐和DHA产量。

研究结果
1. 载体表征
氨基功能化使MSU-F表面修饰620 μmol/g氨基基团，保留介孔结构（比表面积368 m²
/g）。H1型滞后环证实其规则孔道结构，利于酶负载（图2）。

2. 固定化酶特性
共价固定使酶负载率达100%，活性保留率分别为FDH 86%、GlyDH 75%。温度/pH测试显示30°C、pH 8.0为最佳条件，固定化酶在50°C下稳定性比游离酶提高3倍。

3. 电化学耦合效应
无电化学再生时，低FDH/GlyDH比例（1:8）更有利，因GlyDH快速消耗NADH促进甲酸盐积累（DHA达17 mM）；引入电化学再生后，高FDH比例（2.3:1）可提前12小时达到2.75 mM甲酸盐峰值，证明电化学能缓解NADH供给不足。

结论与意义
该研究通过"载体设计-酶工程-电化学调控"三重策略，首次阐明电化学再生可动态调节多酶系统动力学平衡：① 介孔二氧化硅的刚性孔道有效防止酶变性；② 电化学再生突破GlyDH对FDH的NADH竞争限制；③ 两室反应器设计避免NADH氧化损耗。这种模块化设计不仅将CO₂
转化效率提升40%，更为其他NAD(H)依赖型系统（如醇脱氢酶、酮还原酶）的优化提供普适性方案。正如通讯作者Carminna Ottone强调的，该技术有望与工业废气处理系统集成，实现"碳捕获-转化-增值"的一体化流程。