用于二氧化碳高效转化为甲酸盐的区室化共固定化酶系统自组装

《Biochemical Engineering Journal》：Self-Assembly of a Compartmentalized Co-Immobilized Enzyme System for Efficient Conversion of CO? to Formate

　　## 摘要• CA和FDH分别通过自组装被区室化固定在不同的MOF中。• GDH与FDH共固定化以促进原位辅因子再生。• 表征结果表明，区室化固定化的多酶系统按照设计被合理构建。• 该区室化多酶系统展现出优异的CO?转化效率。## 引言由于过量二氧化碳（CO?）排放导致的气候危机已引起全球关注。为应对这一挑战，已开发出多种减少CO?排放的策略，包括碳储存、碳捕获和碳利用技术[1]。其中，碳利用技术尤为引人注目，因为它不仅缓解了CO?排放，还能利用CO?生产能源产品或其他高附加值化学品[2]。这种方法提供了新的合成路径，将CO?转化为化学制造的替代原料，在实现碳中和方面具有广泛应用前景[3]。目前，已开发出多种CO?利用方法，包括电化学、热化学、光催化、生物化学和化学-酶催化途径，并取得了实质性进展[4]。特别是，化学-酶催化转化因其高选择性、高效性和环境友好性而受到广泛关注[5]。当前该领域的研究主要集中在单酶和多酶级联催化上。单酶催化转化CO?操作简单直接，而多酶级联催化以CO?为原料生产更高价值化合物，是生物制造领域的新兴热点[6]。其优势在于通过使顺序反应在单一系统中高效连续地触发，可以高效地启动一个或多个反应步骤，从而消除中间产物的分离，提高工艺效率[7]。预计其将成为生物炼制的关键发展方向之一[8]。通过多酶级联反应，可以合成从简单C1化合物到更复杂分子的碳基产品[9]。在这些产品中，甲酸盐已作为该过程中的关键中间体涌现出来，也是最被广泛研究的之一[10]。碳酸酐酶（CA）和甲酸脱氢酶（FDH）在CO?酶催化转化为甲酸过程中发挥着本质性的互补作用[11]。CA加速CO?水合生成碳酸氢盐（HCO??），从而促进CO?到甲酸盐的整体加氢速率[12]。FDH是一种氧化还原酶，能够特异性和可逆地催化CO?还原为甲酸盐[13]。在此过程中，FDH催化CO?转化为甲酸盐通常需要还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NADH）。然而，该系统的应用受到NADH高成本的制约。为克服这一限制，通常采用谷氨酸脱氢酶（GDH）促进NADH的原位再生[14]。在该酶级联系统中，上述三种游离酶仍存在操作稳定性不足、对工艺条件敏感度高和酶回收困难等问题，严重阻碍了其实际应用[15]。多酶固定化技术已成为克服上述游离酶缺陷、实现生物催化工业应用的最有前景的策略之一[16]。共固定化可以增强不同酶之间的协同效应，提高其稳定性和催化效率，简化产物分离，并提供有利的微环境[17]。然而，由于酶结构和功能的差异，合理设计保持酶活性的合适共固定化策略和载体仍是一项重大挑战。即使在均相多酶固定化系统中，仍面临巨大挑战。因此，对于CO?转化的固定化多酶系统设计，综合考虑各酶的功能协同和结构特征至关重要，以维持整体催化活性、增强CO?溶解度和转化效率、以及提高辅因子再生效率[18]。此外，多个酶在限域空间内的相对定位强烈影响底物通道效应和整体催化性能，凸显了对共固定化中精确空间控制的需求[19]。为应对这些要求，已开发了几种共固定化策略，包括随机共固定化、区室化共固定化和定位共固定化[20]。其中，区室化共固定化受到最大关注。通过模拟天然细胞环境的组织结构，该策略能够实现酶的模块化排列，同时降低因单一酶失活导致系统失效的风险[21]。因此，区室化共固定化在多酶系统中已被广泛研究和应用。在此背景下，开发能够提供限域空间、分级孔隙和区室化架构的高级载体极为迫切。金属-有机框架材料（MOFs）由有机配体与金属离子配位形成，相比传统多孔载体具有独特优势[22]。首先，其极高的比表面积和可调的孔隙度能够实现高酶负载量[23]。其次，MOFs刚性和明确的晶体框架能够对酶构象施加空间限域，从而增强固定化酶的稳定性[24]。第三，MOFs的孔隙结构通常表现出强且选择性的CO?吸附能力，这有利于增加催化微环境中的局部CO?浓度[25]。此外，MOFs固有的设计灵活性和表面可修饰性促进了酶固定化及其与其他功能区室载体的集成[26]。总体而言，这些特性使MOFs成为构建用于高效CO?转化的区室化多酶共固定化系统的极具吸引力的平台。基于MOFs在提供多酶催化限域和区室化微环境方面的这些优势，我们开发了一种模块化的MOF基固定化酶系统用于高效CO?转化。在本研究中，FDH和GDH被共包封在ZIF-L中以实现高效的NADH原位再生。同时，CA被固定化在有缺陷的UiO-67材料表面以促进CO?水合。随后，这两个载酶MOF模块通过自组装策略集成，构建了区室化固定化多酶系统。对CO?到甲酸盐的级联催化转化进行了系统研究，以评估所提系统的催化效率和实际应用性。## 各章节摘录### 材料氯化锆（ZrCl?）（98%）购自Acros Organics（比利时Geel）。联苯-4,4'-二羧酸（BPDC）购自北京化工厂有限公司（中国北京）。N,N-二甲基甲酰胺（DMF）和醋酸由北京同光精细化学品公司供应（中国北京）。六水硝酸锌（ZnNO?·6H?O）由赛默飞世尔科技公司提供（美国沃尔瑟姆）。碳酸酐酶（CA，牛红细胞来源）购自 Sangon Biotech Co.### 结果与讨论采用区室化酶固定化策略构建了多酶级联系统，其中CA和FDH被固定化在不同的MOF材料上以实现酶功能的空间组织。考虑到FDH需要NADH作为辅因子，引入GDH以实现NADH的原位再生。为最大程度地减少辅因子再生过程中的传质阻力，FDH和GDH被共包封在ZIF-L中，而CA则被单独固定化。### 结论总之，通过自组装策略合理构建了一种区室化共固定化多酶级联系统，有效实现了CO?的酶催化转化。CO?水合模块和辅因子再生模块的空间分离实现了高效的底物供给和辅因子利用，从而提高了级联兼容性和整体催化性能。所构建系统与游离酶相比，甲酸产量显著提高。### 关于生成式AI和AI辅助技术在手稿准备过程中使用的声明在本文准备过程中，作者使用了ChatGPT以提高语言质量，包括手稿润色和语法修正。使用此工具后，作者对内容进行了审查和必要的编辑，并对已发表文章的内容承担全部责任。### CRediT作者贡献声明**于颖雪：** 调查。 **王凤环：** 撰写——审阅与编辑，监督。 **赵蕊：** 撰写——审阅与编辑，监督，资金获取，概念设计。 **朱浩南：** 调查，数据整理。 **涂奕烨：** 调查。 **杨文慧：** 撰写——初稿，方法论，调查，形式化分析，数据整理。 **曹云涵：** 方法论，调查，数据整理。### 利益冲突声明作者声明他们没有已知的可能影响本文所述工作的竞争性经济利益或个人关系。### 致谢本工作得到国家重点研发计划（编号：2021YFC2102802）的资助。