Nature Commun | 中科院天津工业生物所张玲玲实现高效耐氧电催化CO₂还原

随着全球二氧化碳排放引发的环境与气候危机日益严峻，如何将这一丰富的废弃碳资源转化为高值化学品成为研究热点。相较于传统的金属基电催化剂需克服高过电位带来的能量损耗，生物电催化因其能够在温和条件下高效、选择性地还原CO₂而备受关注。其中，甲酸脱氢酶（FDH）能够在接近热力学平衡电位下催化CO₂与甲酸的可逆转化，是实现低碳生物转化的理想工具。然而，现有FDH普遍面临两大瓶颈：一是酶与电极界面的电子传递效率低下；二是对氧气的极度敏感导致酶在空气中迅速失活，严重制约了其在真实场景下的应用前景。

近日，中科院天津工业生物技术研究所张玲玲研究员团队在《Nature Communications》发表题为《An interfacial-intramolecular electron highway for accelerated electrocatalytic CO₂ reduction by an O₂ tolerant formate dehydrogenase》的研究论文。该团队通过AI辅助酶挖掘技术，从Shewanella oneidensis MR-1中发现并表征了一个兼具高催化活性与完全氧气耐受性的钨依赖性甲酸脱氢酶SoFdhAB，并通过冷冻电镜解析其分子机制，为高效生物电催化CO₂还原提供了全新候选工具。

研究首先通过AI辅助酶挖掘筛选出具有高活性和氧气耐受性的FDH候选酶SoFdhAB。酶活测定显示，SoFdhAB催化CO₂还原的kcat达52.5 s⁻¹，是此前报道的TkFdhF的五倍，且在整个表达、纯化和储存过程中对氧气完全不敏感。与仅含催化亚基的SoFdhA相比，SoFdhAB表现出完整活性，证实其电子传递亚基FdhB对维持酶功能至关重要。电感耦合等离子体质谱分析表明，SoFdhAB每分子含有一个钨中心和约五个[4Fe-4S]簇，进一步支持其高效电子传递能力的结构基础。

在电化学表征中，SoFdhAB修饰的碳纳米管电极展现出优异的直接电子传递性能，其CO₂还原电流密度达4.1 mA cm⁻²，界面电子传递效率超过90%。旋转圆盘电极实验表明，反应受酶动力学主导，表观KM为4.8 mM，提示其对CO₂亲和力适中。通过不同功能化电极的比较，研究发现SoFdhAB通过氢键和π-π堆积作用在电极表面实现定向固定，而非简单的静电吸附，这种多重弱相互作用的协同效应赋予了其高效稳定的界面电子传递能力。

冷冻电镜解析了SoFdhAB 2.75 Å分辨率的结构，揭示了由五个[4Fe-4S]簇构成的“电子高速公路”，簇间距均小于10.6 Å，确保电子快速隧穿至活性中心。位于FdhB亚基末端的B4簇距蛋白表面仅4.3 Å，周围环绕Y94、Y97和F112等芳香残基，构成与电极相互作用的“分子界面”。点突变实验表明，Y94S变体因缩短侧链、增强氢键作用，使催化电流提升1.5倍，而IET效率仍保持在0.9以上，证实了该区域对定向固定和高效电子传递的关键作用。

研究进一步揭示了SoFdhAB的氧气耐受机制。与需DTT还原激活的DvH-FDH不同，SoFdhAB的活性不受DTT处理影响。结构比对发现，其底物通道由H653、V666、Y776和T927共同调控，而非依赖二硫键开关。Y776A和Y776A/T927A变体在需氧表达条件下活性显著下降，但在厌氧条件下可恢复，表明这些残基在氧气保护中发挥关键作用。这一机制无需还原激活，赋予了SoFdhAB优异的氧气耐受性。

基于Y94S变体构建的氨基化碳纳米管/碳纸电极在H型电解池中实现64小时稳定运行，甲酸累积量达2.88 mmol，产率45.3 μmol h⁻¹ cm⁻²，法拉第效率93.1%。在含10% CO₂和20% O₂的混合气及模拟合成气（40% CO₂/40% CO/20% H₂）中，电极仍保持良好活性，产率分别达46.4和23.6 μmol h⁻¹ cm⁻²，验证了其在复杂工业气体环境中的应用潜力。该性能远超此前报道的DvH-FDH和FdhF_HycB3Δ159-184体系。

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