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酶電催化是通過電化學(xué)手段為酶催化二氧化碳還原提供還原力的催化系統(tǒng)。相比傳統(tǒng)的電化學(xué)催化方法，酶電催化的催化電位接近二氧化碳的理論還原電勢(shì)，其過電勢(shì)更低且酶催化的選擇性高。因此，酶電催化能夠?qū)崿F(xiàn)更高的法拉第效率和能量效率。對(duì)于提高酶電催化性能，亟待開發(fā)高效的表達(dá)體系和高活性的酶元件。近期，中國科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所研究員張玲玲團(tuán)隊(duì)在電能驅(qū)動(dòng)甲酸脫氫酶催化二氧化碳還原產(chǎn)甲酸研究方面取得進(jìn)展。該研究以源于厭氧菌Thermoanaerobacter kivui的氫依賴二氧化碳還原酶TkHDCR為研究對(duì)象。TkHDCR是由1個(gè)鎢金屬依賴的甲酸脫氫酶、3個(gè)鐵氧還原蛋白以及2個(gè)鐵-鐵氫酶組成的復(fù)合體。針對(duì)TkHDCR復(fù)合體的厭氧特性和獲取困難等難題，該研究建立了厭氧、異源的表達(dá)體系，實(shí)現(xiàn)了TkHDCR的異源表達(dá)。同時(shí)，研究通過理性設(shè)計(jì)獲取了優(yōu)勢(shì)突變體與電響應(yīng)的二氧化碳還原模塊，可通過電極驅(qū)動(dòng)直接進(jìn)行電催化二氧化碳還原。進(jìn)一步，研究基于優(yōu)勢(shì)突變體建立了高效的酶電催化二氧化碳還原產(chǎn)甲酸體系。實(shí)驗(yàn)顯示，該體系在施加-500mV vs. SHE恒壓下，16 h內(nèi)產(chǎn)生22.8mM甲酸。產(chǎn)甲酸速率可達(dá)7.1μmol h-1cm-2，法拉第效率為98.9%，半電池能量效率達(dá)94.4%。這一成果實(shí)現(xiàn)了高效的電響應(yīng)的二氧化碳還原酶，為二氧化碳生物制造開辟了新途徑。相關(guān)研究成果發(fā)表在《自然-通訊》（Nature Communications）上。研究工作得到中國科學(xué)院等的支持。論文鏈接TkHDCR的改造以建立酶電催化體系示意圖