一种界面-分子内电子通道：具有抗氧性能的甲酸脱氢酶用于加速电催化CO2还原

将气候问题变为有用原料

二氧化碳通常被视为气候问题的“反派”，但它也是一种廉价且丰富的碳源，可为未来的化学品和燃料生产提供原料。本研究展示了一种新发现的特殊酶如何从气流中捕获CO2并将其转化为甲酸——一种简单的液体分子，可存储能量或作为其他产物的合成基块——即便在存在氧气的情况下也能工作，而氧气通常会使此类酶失活。该工作结合了现代生物学、结构成像和电化学，设计出一种紧凑的CO2到甲酸装置，能高效运行数日。

寻找更好的天然机器

作者首先在自然界庞大的蛋白质目录中筛寻甲酸脱氢酶——一种在CO2和甲酸之间可逆转换的酶，既要催化速率高又要耐氧。利用人工智能工具分析3万多个相关序列后，他们将候选名单缩小到数百个有前景的序列，这些序列可能含金属、催化高效，并来自能在氧气存在下生存的微生物。其中一种被命名为SoFdhAB的酶，来自嗜中性菌Shewanella oneidensis，尤为突出。测试显示，这种基于钨的酶将CO2还原为甲酸的速率大约比先前的基准快五倍，而且与许多同类酶不同，它在常规空气处理下仍能保持活性，使其在实际应用中更为实用。

构建直接电子通道

为了将该酶用作高效电催化剂，团队将SoFdhAB固定在碳纳米管电极上，使电子可以直接从电极流入蛋白而无需额外的氧化还原化学介质。在这些电极上，SoFdhAB在非常接近理想热力学电位的电压下催化CO2与甲酸之间的可逆转换，意味着能量损失极小。值得注意的是，超过90%的催化电流来源于直接电子传递，这是一个异常高的比例，表明电子沿着一条短而明确的路径从碳表面进入酶的活性中心。

窥见内部连线与氧气屏障

冷冻电子显微镜提供了SoFdhAB的高分辨率三维结构图。结构显示了一个“内置导线”：五个铁-硫簇按链状排列，连接钨活性位点与蛋白表面，距离短到足以实现快速电子隧穿。在该链的外端，最末端的簇靠近蛋白表面，周围被芳香族氨基酸包围，与碳电极形成有利的面对面接触。这种排列有助于酶以最大化电子流的取向着陆。结构比较和定向突变还揭示了SoFdhAB如何抗氧：通向活性位点的狭窄气体通道被某些体积较大的氨基酸部分堵塞，像一个门控装置——当这些残基被改变时，酶在空气中对氧的脆弱性增加，但在无氧条件下活性恢复，表明该“门”有助于将有害氧气阻隔在催化中心之外。

调节界面以增强性能

研究人员进一步对酶和电极表面进行了工程改造。通过改变远端铁-硫簇附近的一个氨基酸（Y94S），他们缩短了电子中继与碳支撑之间的距离，并增强了氢键相互作用。该变体SoFdhAB-Y94S在不增加酶量或溶液中基本活性的情况下提供了更高的电催化电流，证明改进源于更好的电连接。不同类型碳纳米管的实验表明，芳香族残基与碳表面之间的氢键和π–π相互作用的组合形成了稳固且定向的附着方式，不易被破坏。

从基础洞见到实用的CO2转化

借助改进后的酶，团队在碳纸上构建了更大的生物电极。在一个电压适中的简单电池中，该系统稳定地将CO2转化为甲酸达64小时，产率超过每平方厘米每小时45微摩尔，能量效率超过90%——位列酶基CO2还原报道中的最好水平之一。重要的是，该装置在含氧气或典型工业合成气的气体混合物中也能工作，仍以有用的速率生成甲酸。对于非专业读者，主要结论是：作者创造了一个耐氧、耐用的生物电子通道，利用一种能将电子从固体表面引导到酶内活性中心的天然酶，把难以处理的温室气体转化为有价值的液态化学品。巧妙的酶发现、结构理解与电极设计的结合，使酶促CO2到甲酸的转化更接近可在大规模回收碳的技术应用中实现的目标。

引用: Liu, W., Zhang, P., Wang, X. et al. An interfacial-intramolecular electron highway for accelerated electrocatalytic CO₂ reduction by an O₂-tolerant formate dehydrogenase. Nat Commun 17, 3370 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69827-w

关键词: 二氧化碳还原, 甲酸脱氢酶, 生物电催化, 酶工程, 电化学CO2转化