本文1720字，阅读约需4分钟

摘要：日本的一个研究小组阐明了甲酸脱氢酶（FoDH1）的电子转移机制，该酶来源于植物叶片共生菌Methylorubrum extorquens AM1，能够可逆地催化CO₂与甲酸之间的氧化还原反应，通过利用其所具有的与电极直接进行电子转移的独特特性，可以实现高效的催化反应，有望为利用生物催化剂的新型CO₂资源化技术的基础研究作出贡献。

关键字：新型CO₂资源化技术、CCUS、生物催化剂电子转移机制、氧化还原反应、甲酸

概要

甲酸脱氢酶（FoDH1）是一种在常温常压中性条件下可以催化CO₂还原的耐氧酶，有望成为CCUS（Carbon Capture，Utilization and Storage）技术的一张王牌，以应对温室气体（主要是CO₂）排放这一世界性问题。该酶具有与电极直接进行电子转移的独特特性，可以实现高效的催化反应。

此次，研究小组通过利用了低温电子显微镜观察和单粒子图像分析的结构生物学方法，在世界上首次以2.2Å（埃）的高分辨率成功地对该酶进行了结构分析。并且，通过生物电化学方法，在酶内发现了多个电子转移途径和电极反应位点。这项研究成果有望为利用生物催化剂的新型CO₂资源化技术的基础研究作出贡献。

本研究中阐明的甲酸脱氢酶FoDH1的三维结构和多个电子转移途径（示意图）

1

研究背景

温室气体CO₂的减排是亟待解决的全球性环境问题。为了建设一个可持续发展的未来社会，全世界都在积极研发二氧化碳的捕集、利用与封存技术(CCUS)。一般无机催化剂需要在高温高压条件下有效发挥作用，而本次研究小组所关注的氧化还原酶是一种生物催化剂，能够在常温常压中性条件下最有效地发挥作用。作为一种催化CO₂还原为甲酸（=CO₂资源化）的酶，甲酸脱氢酶（FoDH1）来源于植物叶片共生细菌Methylorubrum extorquens AM1。FoDH1具有耐氧性，其作为利用生物催化剂的新型CO₂资源化技术的王牌而备受期待。

先行研究表明，FoDH1将电子直接转移到电极上。这种反应机制被称为“直接电子转移酶电极反应（DET型反应）”，这是一种仅约0.01%的氧化还原酶所具有的独特反应模式（图1）。与常规反应系统不同，DET型反应不需要电子转移介质来介导酶-电极之间的电子转移，因此其作为一种可以将与电子转移相关的能量损失降至最低的理想反应而备受关注。然而，FoDH1的三维结构细节尚未阐明，尚不清楚酶中的电子转移机制。

图1.png

图1：DET型反应与常规反应模式的比较

※以CO₂还原为甲酸的反应为例

2

研究方法与成果

2-1. 通过低温电子显微镜观察和单粒子图像分析阐明FoDH1的三维结构

研究小组使用低温电子显微镜对FoDH1进行单粒子图像分析，在世界上首次以2.2Å的高分辨率成功地阐明了三维结构。图2（a）显示了FoDH1的整体结构。这种酶是异二聚体，确认了钨蝶呤（W-P）与4个铁硫簇(FeS)、黄素单核苷酸(FMN)和两个FeS。其中，钨蝶呤（W-P）是在α亚基（粉色）上催化CO₂/甲酸氧化还原反应的活性位点，黄素单核苷酸(FMN)是在β亚基（绿色）上催化NAD⁺/NADH氧化还原反应的活性位点。

这种酶的生物学作用是从甲酸中获取能量并将电子从W-P转移到FMN。如图2（b）所示，酶中负责电子转移的5个FeS被合理地放置在W-P与FMN之间，使它们在14Å以内，这是允许快速电子转移的距离。此外，在与电子转移途径无关的地方存在1个FeS(B2[2Fe-2S])。另一方面，如图2(c)所示，一些FeS位于距酶表面14Å处，特别是B2[2Fe-2S]位于距酶表面10.5Å的短距离。

图2.png

图2：阐明的FoDH1的(a)三维结构、(b)辅因子之间的距离、(c)FeS与酶表面之间的距离

2-2. 着眼于酶与电极表面的相互作用，发现多个电子转移途径和电极反应位点

图3显示了基于阐明的三维结构计算酶表面的静电势的结果（蓝色为正电荷，红色为负电荷）。上述B2[2Fe-2S]存在于箭头所示区域，负电荷集中在该区域。基于此，研究小组通过使用控制电极表面的化学性质的方法，对不同表面状态的电极上的催化反应进行了电化学评估。

此外，FoDH1不仅可以催化CO₂/甲酸，还可以催化NAD⁺/NADH的可逆氧化还原反应。因此，研究小组还研究了添加不同底物时的反应行为。结果，研究小组发现了如图4所示的多个酶内电子转移途径和电极反应位点。

图3.png

图3：FoDH1的静电势图（蓝色：正电荷、红色：负电荷）

※B2[2Fe-2S]存在于箭头所示区域

图4.png

图4 发现的负责多个电子传递途径和电极反应位点的FeS

※(a) 当使用带正电的改性剂时、(b)当使用不带电的改性剂时

3

研究意义与未来展望

本研究有望成为利用酶这一生物催化剂的CO₂资源化技术开发的学术基础。今后，通过酶工程和机器学习等方法的结合，将催生出“CO₂资源化超级酶”。该酶还可以双向催化NAD⁺/NADH，这是几乎所有生物体中的能量载体。因此，有望开发出与一组参与分解代谢的酶相结合的生物电池、生物传感器和生物反应器。

常温常压中性条件下利用生物催化剂的CCUS技术的开发