《Nature Communications》：An interfacial-intramolecular electron highway for accelerated electrocatalytic CO2 reduction by an O2-tolerant formate dehydrogenase
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为解决生物电催化CO2还原中界面与分子内电子传递缓慢及酶对氧敏感这两大瓶颈，研究人员针对来源于Shewanella oneidensis MR-1的甲酸脱氢酶(SoFdhAB)开展了研究。该研究通过冷冻电镜揭示了酶内独特的五[4Fe-4S]簇电子高速公路、促进界面电子转移的面-面接触结构，以及不同于“失活-再激活”的氧耐受新机制。利用获得的优势变体SoFdhAB-Y94S构建的直接生物电催化体系，能以93.1±5.2%的法拉第效率稳定产甲酸，速率达45.3±0.5 μmol h?1cm?2。这项研究为设计高效、稳定的生物电催化CO2还原系统提供了新思路。
在全球面临气候变暖与能源转型的双重挑战下，如何将过量的温室气体二氧化碳(CO2)转化为有价值的化学品，成为了科学家们孜孜以求的目标。其中，利用生物酶进行电催化还原，被视为一条极具潜力的绿色途径。然而，这条看似完美的道路前方却横亘着两大“路障”：一是电子在酶与电极之间的传递，以及在酶分子内部的“长途跋涉”往往效率低下，成为反应的限速步骤；二是大多数具有催化能力的氧化还原酶都极度“怕氧”，环境中存在的氧气很容易使其失活，这极大地限制了其在实际、尤其是可能接触空气的应用场景中的使用。因此，寻找或设计出一种既能高效进行直接电子转移(Direct Electron Transfer, DET)，又能坦然面对氧气的“全能型”催化剂，成为了该领域一个关键的突破点。
近期发表于《Nature Communications》的一项研究，为我们带来了令人振奋的答案。研究人员将目光投向了一种来源于嗜水气单胞菌Shewanella oneidensis MR-1的甲酸脱氢酶(Formate dehydrogenase, Fdh)，简称SoFdhAB。他们发现，这种天然的酶竟然同时具备了完全氧耐受和直接电催化CO2还原为甲酸的神奇能力。为了揭开其背后的奥秘，研究团队展开了一系列深入探索。
研究者们综合运用了多项关键技术来解析SoFdhAB的结构与功能。首先，他们通过异源表达与蛋白质纯化技术获得了高纯度的SoFdhAB酶。进而，利用蛋白质工程手段，对酶进行了理性设计与改造，获得了性能更优的变体SoFdhAB-Y94S。在功能表征方面，研究采用了电化学测量方法，评估了酶的直接电子转移能力、催化活性以及对氧的耐受性，并计算了法拉第效率(Faradaic efficiency)。最为核心的是，研究团队通过冷冻电子显微镜(Cryo-electron microscopy, Cryo-EM)技术，成功解析了SoFdhAB的高分辨率三维结构，从而得以在原子水平上窥见其精巧的分子构造。
结构解析揭示分子内电子高速公路与独特界面
通过对SoFdhAB的Cryo-EM结构分析，研究人员直观地看到了其高效的电子传递基础。在酶分子内部，五个[4Fe-4S]簇（一种铁硫簇，是常见的电子传递载体）如同一个个接力站点，排列成一条贯穿蛋白基质的、低电阻的通道，构成了一个高效的“分子内电子高速公路”。这条高速公路确保了从酶表面接收到的电子能够被快速、定向地输送到深埋于内部的催化活性中心。在酶与电极的界面处，结构分析发现了一个区域性的面对面接触模式，这种特殊的几何排布极大地促进了界面电子转移(Interfacial Electron Transfer)，为电子从电极流入酶分子内部铺平了道路。
阐明独特的氧耐受机制
更令人惊讶的是，结构研究还阐明了SoFdhAB为何能“无视”氧气。传统的氧敏感酶通常采用一种“失活-再激活”的被动保护机制，即遇到氧气后暂时失活，待无氧环境再恢复。而SoFdhAB则采用了一种截然不同的策略。其结构显示，其催化中心的钼辅因子(Moco)被一个特殊的蛋白结构域和氨基酸残基网络紧密地包裹和保护起来，形成了一个高度疏水的、氧气难以渗透的局部微环境。同时，其电子传递链([4Fe-4S]簇)本身对氧气就具有较高的稳定性。这种“主动防护”加“固有稳定”的双重机制，使得SoFdhAB能够在有氧条件下依然保持催化活性，实现了真正的完全氧耐受。
构建高效直接生物电催化系统
基于对天然酶的理解，研究人员通过定点突变，获得了一个有益变体SoFdhAB-Y94S。他们将此变体直接修饰在电极表面，构建了一个无媒介体的直接生物电催化CO2还原系统。性能测试结果表明，该系统表现卓越：在64小时的长时间运行中，稳定积累了2.88 ± 0.03 mmol的甲酸盐，平均产甲酸速率稳定在45.3 ± 0.5 μmol h?1cm?2，并且法拉第效率高达93.1 ± 5.2%。这证明了该体系不仅高效，而且非常稳定和专一。
综上所述，这项研究取得了一系列重要结论。首先，成功从Shewanella oneidensis MR-1中挖掘出一种兼具完全氧耐受和直接电子转移电催化性能的甲酸脱氢酶SoFdhAB。其次，通过高分辨率Cryo-EM结构解析，首次揭示了该酶内部由五个[4Fe-4S]簇构成的分子内电子高速公路、促进界面电子转移的区域性面-面接触结构，以及一种不同于传统“失活-激活”模式的独特氧耐受结构机制。最后，基于对天然酶的理性改造获得的变体SoFdhAB-Y94S，成功构建了一个高效、稳定、高选择性的直接生物电催化CO2还原系统，并验证了其优异的性能。
该研究的讨论部分着重强调了其深远意义。SoFdhAB所展现出的氧耐受性和高效（电）催化特性，使其成为一种可应用于潜在实际场景（如可能面临氧泄露的生物电合成系统）的鲁棒性酶催化剂。更重要的是，其固有的直接电子转移能力及其结构基础，为其他氧化还原酶的界面工程改造提供了全新的灵感和设计蓝图。通过借鉴其分子内电子通道的构建原理和界面接触模式，有望设计出更多种类的、能够与电极高效“对话”的生物催化剂，从而推动整个生物电催化领域，特别是CO2资源化利用技术的发展。
