光催化CO2还原酶的理性设计研究获进展
来源：生物物理研究所 2021-05-05 09:48
近期，ACS Catalysis发表了中国科学院生物物理研究所研究员王江云课题组、中国科学技术大学教授田长麟课题组题为Rational design of a miniature photocatalytic CO2 reducing enzyme的研究论文。该研究设计出一种33 KDa的光催化CO2还原酶（mPCE），该酶含有BpC发色团的光敏蛋白域和含两
近期，ACS Catalysis发表了中国科学院生物物理研究所研究员王江云课题组、中国科学技术大学教授田长麟课题组题为Rational design of a miniature photocatalytic CO2 reducing enzyme的研究论文。该研究设计出一种33 KDa的光催化CO2还原酶（mPCE），该酶含有BpC发色团的光敏蛋白域和含两个铁硫簇的催化域。通过对还原电位的调节，优化了从BpC到两个铁硫簇的多步电子跃迁，最终得到1.43%的光驱动CO2到甲酸转换的量子效率。
工业革命以来，随着人口不断增加，大量的能源用于交通、工业、发电及供暖。化石燃料（包括石油和天然气）的大量消耗不但使化石能源紧俏，大气中CO2浓度也逐渐增多。如果继续这样高速的消耗能源，不仅目前的能量来源无法支撑，还会引起一系列环境问题。因此，迫切需要发展可再生的绿色能源。以CO2作为太阳能燃料的来源既可减少CO2的排放；通过加工CO2得到的燃料（如甲酸、甲醇等）还具有易于储存和加工处理的优势；最终把这些在工业过程中产生的CO2转化为燃料，这为我国早日实现碳中和提供了可能。自然界的光合作用可将太阳能转化为化学能并储存在碳氢化合物中，实现CO2的固定。其中，光系统I是一种较大的膜蛋白复合物（~1000 kDa），含有P700*，是生物系统中已知最强的还原剂，负责驱动NAD（P）+的还原，并最终将还原力用于CO2固定。虽然光系统I是光合作用机制中最重要的组成部分之一，但由于其复杂性，通过基因工程的方法进化扩展PSI的功能仍存在困难。
王江云课题组前期研究发现，通过使用基因密码子扩展技术可将非天然氨基酸插入荧光蛋白（PSP），从而改造发色团光驱动生成具有高还原活性的物种（PSP2·，E0=-1.47 V）。进一步在蛋白表面特定位置引入小分子镍配合物，可驱动二氧化碳光还原（Nat. Chem. 2018；Acc. Chem. Res. 2019），光能驱动卤代芳烃羟化脱卤反应（JACS. 2021）等。在这些研究中，PSP蛋白表现出优异的光化学性质。为提高光致电荷分离效率和防止有害的电荷复合过程，在光系统I中包含了三个具有不同氧化还原电势的铁硫簇，光诱导能量从P700*到铁硫簇的传递通过多步电子跳跃实现。受此启发，基于Rosetta建模，课题组设计出一种33 kDa光催化CO2还原酶（mPCE），包含可产生高还原活性物种生色团（BpC）蛋白域和含两个铁硫簇的催化域。利用电化学检测手段，研究人员通过对还原电位的微调，优化了从BpC到铁硫簇的多步电子跃迁，最终得到了1.43%的CO2到甲酸的转换量子效率。用电子磁共振EPR波谱学手段验证了mPCE中的光驱动多步电子转移途径。尽管mPCE设计简单，但它包括了光合系统I的关键特征：可见光吸收、光驱动强还原剂的生成、具有可调还原电位的多个铁硫簇以促进有效的正向电子传递，并最终用于二氧化碳的还原。由于mPCE在大肠杆菌中能够高产量的过表达，催化还原二氧化碳不需要贵金属，通过进一步有效的定向进化，将可快速提高酶催化的光量子产率和功能扩展。(生物谷Bioon.com）
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