科学视点

光催化CO2还原酶的理性设计研究获进展

  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。

  该研究由生物物理所和中国科大合作完成。王江云、田长麟、生物物理所核酸生物学重点实验室研究员刘晓红为论文的共同通讯作者,生物物理所博士研究生康福英、夏颜和中科院强磁场科学中心助理研究员于璐为论文的共同第一作者。该研究得到科学技术部、国家自然科学基金委和中科院的支持,获得生物物理所蛋白质科研平台的帮助。


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