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光催化CO2还原酶的理性设计研究获进展

  1. 光催化CO2还原酶

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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