《Carbon Energy》：Enzymatic Electrosynthesis for Sustainable CO2 Conversion: Advancing Circular Carbon Economy
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酶促电合成（EES）有效耦合生物催化与电催化，正成为实现循环碳经济的可持续策略。这种混合方法在将CO?转化为高附加值C??产物方面具有分子级精度，使其区别于其他基于酶的混合系统。在此，我们全面分析了不同固碳酶之间的电子传递机制，并提出了该技术大规模部署所面临的
酶促电合成（EES）有效耦合生物催化与电催化，正成为实现循环碳经济的可持续策略。这种混合方法在将CO?转化为高附加值C??产物方面具有分子级精度，使其区别于其他基于酶的混合系统。在此，我们全面分析了不同固碳酶之间的电子传递机制，并提出了该技术大规模部署所面临的持续挑战与机遇。更重要的是，讨论了促进电子传递和拓宽产物谱的关键策略。此外，还考虑了机器学习等数据驱动方法用于EES的系统优化。鉴于其环境和经济优势，EES代表了传统催化CO?还原路线的多功能替代方案。通过协同努力，主要挑战将得到解决，以加速基于EES的大规模商业应用。
1 引言
为缓解主要由大气CO?浓度逐渐升高引起的气候变化，CO?捕集与利用（CCU）被广泛认为是一种有前景且实用的方法，也有利于实现循环碳经济。在各种CCU策略中，生物电催化因结合了电催化的温和反应条件和低能耗优势与生物催化的高特异性和强C─C偶联能力，在靶向合成高附加值产物方面展现出显著潜力。与微生物相比，酶表现出快速高效的催化活性，主要归因于其关键优势，包括卓越的CO?选择性、无膜屏障限制以及最小的底物损失。更重要的是，电驱动的C═O键断裂提高了系统的总能量利用效率，自然催生了酶促电合成（EES）的先进概念。本综述将EES系统定义为以分离酶作为电极上的生物催化剂、电子传递直接发生或通过可溶性介体进行的构型。依赖电化学再生的辅因子（如NADH或NADPH）的系统被纳入，而酶-微生物杂合体和基于全细胞的构型不在本综述考虑范围内。
EES的首个实例可追溯至1976年，当时过氧化物酶被用于实现氧还原，这引发了关于EES在CO?利用方面更深入的研究。随着持续进展，用于CO?利用的EES在同时应对能源安全、环境可持续性和循环碳经济方面具有巨大潜力。CO?不仅成功转化为简单的C?产物（如甲酸和甲醇），还转化为长链产物（如氨基酸和脂肪酸）。例如，基于固氮酶的EES系统已实现CO?向烯烃的转化；类似地，EES系统在将CO?转化为脂肪酸聚合物（如omega-3脂肪酸）方面取得了进展。尽管有这些有前景的示范，当前EES系统的最新水平揭示了C?和C??产物之间的明显性能差距。基准C?系统现在常规实现约100%的法拉第效率（FE）和10? μmol·L?1·h?1量级的时空产率，而C??化合物的生产率仍低一个数量级以上，周转数（TON）也相应降低。这种差距不仅源于多酶级联的固有复杂性和缓慢的C─C偶联动力学，还源于受限的界面电子传递效率，严重制约了关键酶的催化周转速率。然而，一个关键空白仍然存在。具体而言，现有综述往往将电子传递增强、酶稳定性、辅因子再生和系统放大视为独立挑战。缺乏一个统一框架，将原子级酶设计与宏观系统集成联系起来，以同时解决界面电子传递和工业适用性的相互交织瓶颈。这一空白阻碍了EES实验室进展转化为可扩展的CO?增值技术。
因此，为填补当前研究空白，我们批判性地综述了EES在可持续CO?利用方面的最新进展，展示了其相对于其他酶-X杂合系统的技术优越性。我们全面讨论了EES系统中不同固碳酶的电子传递机制，并提出了同时提高电子传递效率和拓宽EES潜在应用的关键策略。此外，我们创新性地提出机器学习（ML）和深度学习（DL）等数据驱动方法，以高效筛选和设计目标产物酶并优化EES系统。鉴于EES用于CO?利用的环境效益和经济可行性，我们强调其作为实现循环碳经济的可持续实用替代方案的潜力。最后，我们提出未来研究展望，为学术界和工业界研究人员以及政府政策制定者提供启示。
2 为何选择EES用于可持续CO?转化？
CO?的线性分子结构及其750 kJ·mol?1的高解离能使其本质上难以活化和还原。包括有机催化、光催化、电催化和酶催化在内的各种转化技术已被广泛研究。其中，酶催化以其温和的反应条件、可适配的途径设计和高的产物选择性而脱颖而出。更重要的是，酶催化可以与外部驱动的能量输入相结合，避免了全细胞微生物发酵的基本限制，即产物形成与细胞生长和维持紧密相关。
在成熟的产乙酸菌气体发酵中，大部分电子供体被细胞质量和还原副产物消耗而非乙酸，Wood-Ljungdahl途径的理论碳效率仅为约50%。相比之下，无细胞酶偶联系统将外部能源的电子直接引导至目标还原反应，绕过了细胞生长和维持的代谢需求。这使碳效率接近理论最大值，生产率可比发酵基准高一个数量级或更多。此外，此类杂合构型中的固定化酶比活体培养物能耐受更宽的pH、温度和产物浓度波动，有利于下游过程强化。这些在碳产率、生产率和操作稳健性方面的固有优势解释了人们对酶-能量杂合平台日益增长的兴趣。因此，我们从反应速率、系统稳定性、反应条件和可扩展性角度批判性评估了不同的酶杂合系统，从而展示了EES在新兴CO?利用技术更广泛格局中的优越性。
2.1 酶-有机催化系统
酶-有机催化系统通常分为两种方法：一种主要涉及顺序化学和酶促反应，中间产物在进入下一阶段前必须通过复杂的纯化和分离步骤分离，表明该方法成本效益低、耗时且劳动密集；另一种是典型的一锅法，所有反应在单个容器中进行，有效消除了繁琐的分离和纯化过程。酶-有机催化系统的关键瓶颈是有机相与生物催化之间基本性质及催化要求的不相容性。在一锅反应中，有机催化剂与酶直接接触导致相互失活，这种不相容性表现严重。酶通常在温和溶剂中发挥作用，而大多数有机催化剂需要苛刻的操作条件，如高温（>100°C）、强碱性和有机溶剂，容易导致酶失活。
2.2 酶-光催化系统
常见的酶-光催化系统由CO?作为原料、半导体和酶作为催化剂、辅因子作为能量载体组成。通过整合光催化辅因子再生，CO?转化能够在酶存在下长时间连续运行。由于光催化在温和条件下产生的活性化学中间体，该系统不仅能利用辅因子发挥酶的天然活性，还能触发酶的非常规反应活性，从而获得新的催化功能。然而，该系统仍远未达到实际应用，受多种因素制约，如许多酶面临氧不耐受问题，以及协调光催化和酶催化同时促进它们之间稳健连接和相容性仍具挑战性。
2.3 酶-电催化系统
EES通过施加外部电位促进酶活性位点与电极表面之间的高效电子传递，从而使酶精确识别并结合CO?分子，同时电极提供电子以高效驱动CO?还原反应。这种直接电子传递（DET）机制能够最小化能量损失，从而提高整体反应效率。此外，EES在反应条件方面提供高灵活性，可通过调节施加电位更好地控制反应速率，强烈吸引了对可持续发展的关注。例如，甲酸生产的传统工艺通常在高温（160°C–200°C）和高压（2 MPa）下运行，而EES通常在温和条件下（室温和压力）由电力驱动，电力可由风能和太阳能等可再生能源提供，表明EES对实现CO?转化更加环保和可持续。随着电化学技术的持续发展，EES将易于与其他电化学过程耦合，如燃料电池，形成集成能量转换和存储系统。这种集成不仅提高了整体系统转换效率，还降低了实际应用的建设和运营成本。
3 不同EES支持的CO?转化路线的电子传递机制
3.1 单酶EES将CO?升级为甲酸
与其它燃料相比，甲酸在标准温度下被广泛认为是液体能量载体，比气态燃料更方便储存、运输和处理。甲酸脱氢酶（FDH）代表氧化还原酶家族中重要的一类酶，能够高效催化甲酸与CO?之间的相互转化。根据催化中心，FDH通常分为非金属依赖型和金属依赖型两类。非金属依赖型FDH利用NAD(P)H作为辅因子，而金属依赖型FDH以Mo或W作为活性中心。
3.1.1 非金属依赖型FDH
非金属依赖型FDH在真菌中通常以同源二聚体形式存在，利用NAD(P)?/NAD(P)H作为电子穿梭体将CO?转化为甲酸盐。连续甲酸盐生产需要高浓度NAD(P)H以达到反应化学平衡；然而，电化学NAD(P)H再生面临高过电位和副产物形成的挑战。电子介体（如甲基紫精（MV））从阴极接受电子然后将其转移至NAD(P)?，实现高效NAD(P)H再生并确保持续的NAD(P)H供应。因此，探索替代辅因子NAD(P)H的电子介体，或开发稳定经济的人工辅因子，可为基于非金属依赖型FDH的EES中CO?增值提供创新方法。
3.1.2 金属依赖型FDH
金属依赖型FDH利用Mo/W-双钼蝶呤鸟嘌呤二核苷酸（Mo/W-bis-MGD）作为活性中心，通过与两个钼蝶呤鸟嘌呤二核苷酸形成的配位键锚定在位点。金属依赖型FDH的活性位点邻近Fe-S簇，该簇高效收集和传递电子，将Mo/W位点的催化活性与不同位点发生的互补反应整合。在Mo依赖型FDH的催化过程中，酶通过明确的空间序列协调定向电子中继。电子首先被最溶剂暴露的Fe-S簇从电极表面接受，然后逐步通过Fe-S簇链移动。这种中继终止于Mo或W活性位点，金属中心在Mo(VI)、Mo(V)和Mo(IV)状态间循环，实现CO?到甲酸盐的两电子还原。与金属依赖型FDH相比，金属依赖型FDH避免了NAD(P)H的必要性，并表现出多中心电子传递链，使其适用于EES。尽管其催化活性强且不依赖NADH，金属依赖型FDH的氧敏感性使获取复杂化并提高成本，从而限制了实际应用。
3.2 单酶EES将CO?升级为CO
3.2.1 一氧化碳脱氢酶（CODH）
CO是合成气的主要成分，连接非石油碳资源与碳氢化合物和高价值燃料，被广泛认为是下游费托合成中合成高价值化学品和燃料的构建单元。CODH是好氧和厌氧微生物中常见的脱氢酶，能够催化CO?向CO的转化。根据微生物表达，CODH分为好氧生物中的Mo-Fe黄素酶和厌氧群落中的Ni-Fe酶，分别称为Mo-CODH和Ni-CODH。Mo-CODH具有高CO亲和力，适用于痕量CO去除，而Ni-CODH表现出更优的催化性能。CODH在电子传递和催化效率方面的卓越性能使其成为EES系统中有前景的候选者。将CODH集成到碳基气体扩散电极上可实现CO?向CO的选择性转化，获得高电流密度和耐久性。CODH在EES中的实际应用仍然有限，主要归因于建立合适反应条件需要严格的厌氧环境。
3.2.2 固氮酶
固氮酶表现出将CO?转化为CO的多功能性，最早在棕色固氮菌中发现其将CO?还原为CO的显著催化能力。根据活性位点辅因子的杂金属含量，固氮酶分为三种类型：Mo-、V-和Fe-固氮酶。还原酶组分和催化组分构成固氮酶。催化组分包含两个[Fe?S?]簇（即P-簇）和两个活性位点辅因子。此外，还原酶组分包含两个ATP结合位点和一个[Fe?S?]簇。在ATP结合状态下，还原酶组分瞬时停靠在催化组分上，启动从[Fe?S?]簇通过P-簇到活性位点辅因子的电子传递。这种顺序传递逐步将辅因子还原到高度还原状态，实现CO?的还原性断裂和金属结合C?中间体的稳定化。持续电子通量促进这些中间体的偶联形成C─C键，产生C?和C?产物，如V-固氮酶中的乙烯和丙烯。
3.3 多酶系统EES将CO?升级为甲醇
将CO?转化为甲醇的多酶级联系统被广泛认为是一种极具前景的策略。涉及FDH和甲醇脱氢酶的级联反应，使用吡咯喹啉醌（PQQ）作为电子介体，成功将CO?转化为甲醇。电子介体的整合加速了多酶级联反应，显著提高了整体转化效率。将FateDH、FaldDH和ADH共价整合到羧基石墨烯上获得的纳米生物催化剂在EES将CO?转化为甲醇过程中实现了20小时的高电流密度，凸显了稳健稳定性。所有上述多酶转化系统都需要辅因子参与，大大增加了成本。因此，研究人员致力于辅因子再生和再利用以实现高效转化。尽管多酶系统能够拓宽CO?转化获得的产物谱，但仍受限于电极与酶之间低效的电子传递、系统内不同酶催化条件的差异以及中间产物对酶活性的潜在抑制。
3.4 多酶系统EES将CO?升级为C??产物
除甲醇外，CO?还可通过多酶系统转化为高价值C??产物。与C?产物相比，C??产物具有更复杂的结构，因此通过多酶级联系统将CO?转化为C??产物更具挑战性。已开发出完全集成的多酶系统，将CO?和乙醇转化为L-乳酸，实现0.23 mM·h?1的合成速率。利用仅以CO?和NH?作为碳源和氮源的体外复杂多酶EES系统合成甘氨酸，以铜泡沫电极进行电化学NADH再生，使系统表现出高达96.8%的显著FE，同时实现8.69 mg·L?1·h?1的甘氨酸生产强度。在二羟基丙酮（DHA）合成的四酶级联途径中，所有酶固定在氢键有机框架中，高效实现0.35 mM·h?1的DHA生产速率和卓越的碳当量产率。
在构建C??产物合成的多酶级联中，羧化酶通过提供延长碳链的关键羧化步骤发挥关键作用。这些酶通常催化ATP依赖的羧化反应，利用高能键（如磷酸酐键）的能量将CO?作为羧基掺入乙酰-CoA等受体分子。虽然一些羧化酶通过涉及NAD(P)H的氧化还原酶机制运作，但其结构复杂性和对辅因子活化底物的依赖对直接整合到EES构成挑战。因此，探索这些羧化酶的高效电子传递和辅因子再生策略对于工程化将CO?升级为C??化合物的先进级联系统至关重要。
当前EES中CO?利用的研究主要集中在C?产物，特别是甲酸盐。然而，C??产物的合成仍面临重大挑战，因为其合成需要多个反应步骤且分子结构更复杂。高特异性C??产物的先进控制策略、对酶机制的充分理解以及电子传递过程的足够效率/稳定性仍然缺乏。此外，EES内酶之间不匹配的反应动力学条件常导致目标产物产率低，而差的电子传递效率从根本上限制了反应速率。
4 EES电子传递的增强策略
基于EES系统的当前局限性，酶与电子受体之间的高效电化学相互作用对于优化EES系统性能至关重要。酶和电极表面的活性位点可视为供体-受体对；因此，缩短电子传递距离（这会增加电子传递速率）是高效电子传递的有前景策略。通过将酶固定到电极上，简化了扩散过程以最小化电子隧穿距离，物理或化学固定也防止酶在反应系统中自由扩散和从电极表面脱离，确保其持续参与催化。此外，固定化酶不易受流动或搅拌系统中流体剪切损伤，固定化基质（如水凝胶、聚合物膜）为酶提供局部稳定的pH、湿度和离子条件，减缓失活。同时，该策略显著增加了电极表面可直接参与电子传递的酶浓度，从而进一步提高催化效率。
酶可通过多种技术固定在电极上，如物理吸附、共价结合、包埋和交联。值得注意的是，DET仅在酶活性位点与电极表面距离小于14 ?时发生，这也表明固定化技术难以实现DET，这对较大酶具有挑战性。因此，需要通过电极表面功能化和氧化还原酶工程做出更多努力。
4.1 DET和介导电子传递（MET）机制的比较分析
虽然本节后面讨论的固定化策略旨在增强电子传递，但首先区分氧化还原酶与电极之间电子交换的两种基本途径至关重要，即DET和MET。DET和MET之间的选择直接影响电极材料的选择、酶固定化架构的设计以及EES系统的能量效率和操作稳定性。DET的动力学瓶颈是酶活性位点与电极表面之间的电子隧穿距离，通常限制在≤14 ?，酶取向至关重要。MET的动力学瓶颈是氧化还原介体在酶与电极表面之间的扩散速率，引入传质阻力。DET的过电位损失低，电子传递发生在接近酶辅因子热力学氧化还原电位的电位下，最小化能量损失并最大化电压效率；MET的过电位损失高，辅因子电位与介体标准电位之间的差异产生固有过电位，降低系统整体能量效率。DET的选择性和副反应控制高，无自由扩散介体避免了活性氧或其他副产物的产生，从而提高FE；MET的选择性低，介体可能不稳定或发生副反应，导致选择性降低和可能的酶失活。DET对酶在电极表面的精确取向高度敏感，表面暴露的氧化还原辅因子的变性或脱附可导致活性快速丧失；MET具有高稳健性，酶在聚合物基质内的包埋提供保护性微环境，增强长期操作稳定性，但以缓慢的电子中继动力学为代价。
4.2 酶固定化策略的决策框架
DET和MET之间的比较为EES系统的合理设计策略提供了基础。下一个考虑是选择不仅与所选电子传递途径兼容，而且满足目标氧化还原酶特定生化和结构要求的酶固定化方法。关键酶特异性考虑包括氧化还原酶类别、氧化还原辅因子的性质及其与蛋白表面的接近度，以及酶对分子氧的固有敏感性。本部分提供了一个简洁的决策框架，根据四个关键指标评估这些策略的预期性能：（i）高电子传递速率，（ii）长期操作稳定性，（iii）低传质阻力，以及（iv）成本效益可扩展性。例如，如果长期操作稳定性是首要关注且可容忍适度的电子传递速率降低，则通常推荐将酶包埋在保护性聚合物层内的策略。相反，当最大化DET电子传递速率是优先事项时，旨在使酶活性位点朝向电极表面的共价结合策略往往效果更好。
4.3 电极表面功能化
基于前述决策框架，本部分考察了定制电极表面以实现所需酶固定化和电子传递特性的实用方法。EES系统中的电极作为集流体和酶载体发挥双重功能，也作为固-液或固-液-气异质氧化还原反应的平台整合。碳基和金属基电极都是满足优异导电性、稳定性、比表面积和生物相容性的竞争候选者。
4.3.1 碳基电极
EES系统的碳基电极主要包括零维碳点、一维碳纳米管、二维石墨烯片和三维生物炭。这些碳基电极的疏水性可能导致酶从电极表面脱附，降低酶负载效率并阻碍界面电子传递。因此，在电极表面引入特定官能团被广泛认为是实现酶紧密稳定附着到电极表面的有效方法之一，通过在酶的特定位点形成稳健共价键。电极表面特定官能团产生的相互作用力广泛适用于各种酶。此外，金属氧化物纳米复合材料或导电材料可有效修饰电极表面，因为这种功能化不仅为酶附着提供三维支架，还促进酶与电极之间的近距离电子传递。碳基电极表面的功能化有效提高了整个系统性能，主要归因于加强酶与电极表面之间的相互作用加速了电子传递并提高了反应速率。此外，碳基材料的高比表面积和稳健化学稳定性为酶固定化和CO?浓缩提供了充足条件，碳材料的优异导电性对于增强电极生物相容性和电子传递效率至关重要。
4.3.2 金属基电极
金属材料也因其优异的导电性而常被用作EES电极。
