自从工业革命以来，随着人口不断增加，大量的能源用于交通、工业、发电、以及供暖。化石燃料（包括石油和天然气）的大量消耗，不但使得化石能源紧俏，大气中的CO2浓度也增加了30%以上。如果继续这样高速的消耗能源，不仅目前的能量来源无法支撑，还会引起一系列严重的环境问题。因此，迫切需要发展可再生的绿色能源。以CO2作为太阳能燃料的来源既可以减少CO2的排放；通过加工CO2得到的燃料如甲酸、甲醇等还具有易于储存和加工处理的优势；最终将这些在工业过程中产生的CO2转化为燃料为我国早日实现碳中和提供可能。自然界的光合作用可以将太阳能转化为化学能并储存在碳氢化合物中，实现CO2的固定。其中光系统I是一种非常大的膜蛋白复合物（~1000 kDa），含有P700*，是生物系统中已知的最强的还原剂，负责驱动NAD（P）+的还原，并最终将还原力用于CO2固定。虽然光系统I是光合作用机制中最重要的组成部分之一，但由于其巨大的复杂性，通过基因工程的方法进化扩展PSI的功能仍然很困难。
王江云研究员课题组前期研究发现通过使用基因密码子扩展技术可以将非天然氨基酸插入荧光蛋白（PSP），从而改造发色团光驱动生成具有高还原活性的物种（PSP2·，E0=-1.47 V）。进一步在蛋白表面特定位置引入小分子镍配合物，可以驱动二氧化碳光还原（Nat. Chem., 2018；Acc. Chem. Res.，2019），光能驱动卤代芳烃羟化脱卤反应（JACS., 2021）等，在这些工作中PSP蛋白表现出优异的光化学性质。为提高光致电荷分离效率，防止有害的电荷复合过程，在光系统I中包含了三个具有不同氧化还原电势的铁硫簇，光诱导能量从P700*到铁硫簇的传递通过多步电子跳跃实现。受此启发，基于Rosetta建模，课题组设计了一种33 kDa光催化CO2还原酶（mPCE），包含可以产生高还原活性物种生色团（BpC）蛋白域和含两个铁硫簇的催化域。利用电化学检测手段，通过对还原电位的微调，优化了从BpC到铁硫簇的多步电子跃迁，最终得到了1.43%的CO2到甲酸的转换量子效率。用电子磁共振EPR波谱学手段验证了mPCE中的光驱动多步电子转移途径。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，并最终用于二氧化碳的还原。由于mPCE在大肠杆菌中可以高产量的过表达，催化还原二氧化碳不需要贵金属，通过进一步有效的定向进化，将可快速提高酶催化的光量子产率和功能扩展。
该工作由中国科学院生物物理研究所和中国科学技术大学合作完成。生物物理研究所核酸生物学重点实验室王江云研究员、刘晓红研究员和中国科学技术大学田长麟教授为本文的共同通讯作者，中国科学院生物物理研究所博士研究生康福英，夏颜，中科院合肥强场中心助理研究员于璐为本文共同第一作者。该研究得到科技部、国家自然科学基金委和中科院的经费支持。感谢生物物理所蛋白质科研平台提供的帮助。
光催化CO2还原酶的理性设计
文章链接：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acscatal.1c00287
（供稿：王江云研究组）
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