Direct detection of a single [4Fe-4S] cluster in a tungsten‐containing enzyme: Electrochemical conversion of CO₂ into formate by formate dehydrogenase

Wenjin Li, Yanxin Gao, Xuan Sun, Lei Wan*, Haishuo Ji, Hang Luo, Yao Tian, Hao Song, Geng Wu, Liyun Zhang*

Carbon Energy

DOI: 10.1002/cey2.304

生物催化转化CO₂制备绿色燃料是实现碳中和，储存清洁和可再生能源的关键技术之一。甲酸脱氢酶（FDHs）能够专一、高效地催化CO₂和甲酸之间相互转化。一般地，甲酸脱氢酶的活性中心包埋在蛋白质内部，需要借助一个或几个铁硫簇[4Fe-4S]^2+/+来实现活性中心和外界的电子传输、交换和利用。因此，亟需了解酶中铁硫簇的氧化还原化学和电子传输性能，以实现酶催化剂的高效组装和利用。ClFDH含有一个独特的、表面暴露的[4Fe-4S]簇，为探究单个[4Fe-4S]^2+/+簇氧化还原化学和电子转移性能提供了理想的范式体系。将ClFDH稳定地负载在电极表面，利用高速旋转的电极排除传质对催化的影响，深入研究了甲酸脱氢酶的催化偏好性、自身高效性、氧化态依赖的竞争抑制性，底物气体通路及产物释放通路等，相关结果为理解含钨甲酸脱氢酶的催化机理及新型合成催化剂的设计提供了新颖的视角。

南开大学张立云教授课题组和上海交通大学吴更教授课题组合作，将甲酸脱氢酶（ClFDH）负载在电极上，在非酶催化条件下，直接测定了单个[4Fe-4S]^2+/+的特征还原和氧化伏安信号；借助定点突变等生物技术，分析了铁硫簇在界面电子传递中的结构特征、电化学特性及动力学特征，为深入理解酶-电极间的界面电子传递、利用提供了重要的信息。加入底物后，甲酸脱氢酶表现出高效的催化性能，相关的非酶催化电化学信号转化为电催化转化CO₂↔甲酸的信号。在25℃、pH=7.0条件下，甲酸脱氢酶单酶CO2还原的转换频率高达1210 s⁻¹，法拉第转化效率99.3 %。借助实验和理论模型，研究人员揭示了CO₂进入、甲酸释放和OCN^-竞争的途径，证实了氧化状态依赖的催化和结合机制。该工作以“Direct detection of a single [4Fe-4S] cluster in a tungsten‐containing enzyme: Electrochemical conversion of CO₂ into formate by formate dehydrogenase” 为题发表在Carbon Energy上。

图1. （A）ClFDH/PGE电极在非酶催化条件下, [4Fe-4S]^2+/+簇快速可逆的界面电子转移；（B）峰值电流与扫描速率的线性关系；（C）[4Fe-4S]^2+/+簇氧化还原性能的pH依赖性。

随后，[4Fe-4S]簇的结构稳定性、电化学活性及对催化性能的影响通过定点突变技术进行了分析，如图2所示。

图2.（A）野生型和突变体甲酸脱氢酶[4Fe-4S]^2+/+簇氧化还原化学；（B）酶活性比较；（C）ClFDH野生型及突变体的圆二色谱分析。

图3. 电化学催化转化CO₂制备甲酸。（A）催化可逆性;（B）传质对酶催化的影响；（C）温度依赖性活性提升;（D）电化学催化的稳定性。

最后，通过分子动力学模型解析了CO₂的气体通路、产物释放通路及竞争性抑制剂的抑制机制，如图4和5。

图4. 底物、产物通路分析。

图5. OCN^-竞争性抑制作用机制分析

通过蛋白质膜电化学法，首次研究了单个 [4Fe-4S]^2+/+簇的氧化还原化学，明确了其结构稳定性、界面电子传递的动力学和质子协同作用，为理解酶的高效催化性能提供了新的认识。发展了一种稳定、高效的CO₂生物转化系统，其催化效率为1210 s⁻¹，法拉第转化效率99.3 %，为选择性电化学还原CO₂制备甲酸建立了新基准。