图1 光催化CO2还原酶的理性设计

在国家自然科学基金项目（批准号：21750003、21890743、21837005、21825703、 21927814、U1732275）的资助下，中国科学院生物物理研究所王江云课题组与中国科学技术大学田长麟课题组合作，在酶催化二氧化碳还原方面取得新进展，设计了一种光催化CO2还原酶（mpCE），获得1.43%的光驱动CO2到甲酸转化的量子效率。研究成果以“光催化二氧化碳还原酶合理设计（Rational design of a miniature photocatalytic CO2 reducing enzyme）”为题，于2021年4月23日在《美国化学会催化》（ACS Catalysis）期刊在线发表，论文链接: https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acscatal.1c00287。

王江云课题组前期系统发展了用可溶小蛋白模拟复杂金属酶的方法，将结合金属离子的非天然氨基酸插入到模型蛋白质的特定位点，获得用传统方法较难获得的细胞色素c氧化酶、木质素氧化酶、及半乳糖氧化酶的模型酶。这些模型酶揭示了金属酶催化的机理，并提供了适用于生物质转化、燃料电池和多糖修饰的催化剂，展现了超常的效率和寿命。通过将非天然氨基酸探针引入到金属酶，揭示了酶的催化机理依赖于酶活性部位水分子的柔性（Acc Chem Res., 2019, 52, 557; Science, 2020, 367, 26; Angew. Chem. Int. Ed., 2021, doi: 10.1002/anie.202016880）。此外，该课题组通过使用基因密码子扩展技术将非天然氨基酸插入荧光蛋白，获得能高效捕捉光能并产生超强还原力的光敏蛋白（pSp2, E0=?1.47 V），实现了高效驱动二氧化碳光还原（Nat. Chem., 2018, 10, 1201）。

天然光系统I中包含了三个具有不同氧化还原电势的铁硫簇，光驱动从p700*到铁硫簇的多步电子传递，这对提高光致电荷分离效率，减少无效的电荷复合是非常重要的。受此启发，课题组设计了一种33 KDa的mpCE酶，其包含可以产生高还原活性物种生色团（BpC）光敏蛋白域和两个铁硫簇的催化域。通过对还原电位的微调，优化了从BpC到铁硫簇的多步电子转移，最终得到了1.43%的CO2到甲酸的转换量子效率（图1）。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、和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，实现了二氧化碳的还原。由于mpCE在大肠杆菌及酵母等底盘细胞中可以高产量的表达，不需要重金属，不产生环境污染，通过进一步定向进化提高效率，有望实现太阳燃料的高效细胞工厂生产。