工程化肌红蛋白F43Y/H64D Mb通过修饰血红素活性位点高效降解偶氮染料及其环境应用

本研究针对偶氮染料废水处理难题，通过理性设计改造抹香鲸肌红蛋白（F43Y/H64D Mb），构建出具有高过氧化物酶活性的工程酶。该变体对酸性橙7（AO7）、甲基橙（MO）和酸性蓝92（AB92）的降解效率达90%以上（10秒内），催化效率较辣根过氧化物酶（HRP）提高3.6倍，并通过HPLC/ESI-MS解析降解路径，为环境污染物治理提供新型生物催化工具。

　　

偶氮染料作为纺织工业的主要着色剂，全球年产量高达70万吨，其中约20%最终进入水体。这些含有偶氮键（-N=N-）的化合物不仅造成水体显色污染，更因其难降解性在生态系统中持续累积，通过干扰光合作用、消耗溶解氧破坏水生生态平衡。传统处理方法如膜过滤、光催化等存在二次污染或成本高昂等缺陷，而天然酶制剂又面临催化效率不足的瓶颈。

针对这一难题，来自湖南高校的研究团队基于抹香鲸肌红蛋白（WT Mb）进行理性设计，通过双位点突变（Phe43→Tyr/His64→Asp）构建出F43Y/H64D Mb变体。该工程酶在《Process Biochemistry》发表的研究中展现出革命性性能：对AO7、MO和AB92三种典型偶氮染料实现秒级降解（10秒内效率>90%），其整体催化效率（k_cat
/K_m
=2,427,274 M^-1
s^-1
）达到HRP的3.6倍。研究采用ABTS法测定过氧化物酶活性，结合HPLC和电喷雾质谱（ESI-MS）解析降解路径，并通过细菌毒性实验验证产物安全性。

【Peroxidase activity assay】
动力学分析显示，双突变协同效应使F43Y/H64D Mb的催化效率较野生型提升两个数量级，其血红素口袋的极性环境优化显著促进了过氧化氢（H₂
O₂
）的活化效率。

【Degradation pathways】
质谱数据揭示降解始于偶氮键断裂，后续发生羟基化、脱磺酸基和脱硝基等反应，最终生成低分子量芳香族化合物，毒性实验证实降解产物生态风险显著降低。

【Environmental application】
在模拟自然水体实验中，该变体保持稳定活性，其操作简便性、快速反应特点优于多数报道的纳米材料或微生物处理系统。

该研究突破性地证明：通过精准修饰血红素活性中心的微环境，可赋予肌红蛋白类分子超越天然过氧化物酶的催化能力。F43Y/H64D Mb兼具高效性（>90%降解率）、快速性（秒级反应）和广谱性（多种染料适用）三大优势，其环境耐受性更使其具备实际应用潜力。这项工作不仅为偶氮染料废水处理提供新型生物催化剂，更为人工酶设计策略提供了重要范式——通过关键氨基酸替换调控金属辅因子微环境，可定向开发满足特定需求的高效生物催化系统。