綠藻中發(fā)現(xiàn)的酶可能替代昂貴的鉑催化劑用于高效制氫
質(zhì)子和電子的耦合轉(zhuǎn)移是制氫的關(guān)鍵，氫化酶可以像昂貴的鉑催化劑一樣高效地轉(zhuǎn)化氫。為了使生物技術(shù)能夠應(yīng)用在這個(gè)領(lǐng)域，研究人員正在詳細(xì)研究它們是如何工作的。
波鴻大學(xué)（Ruhr-UniversitBochum）和牛津大學(xué)共同組建的一個(gè)團(tuán)隊(duì)發(fā)布在《美國國家科學(xué)院院刊（PNAS）》上最新報(bào)告指出，酶的質(zhì)子和電子傳遞在空間上是分開的，但仍然是耦合的，這是高效率的決定性因素。該文章于2020年8月10日在線發(fā)表。
自然界最有效的氫氣制造者
所謂的這一類[FeFe]-氫化酶，例如在綠藻中發(fā)現(xiàn)的，是自然界最有效的氫氣制造者。它們可以產(chǎn)生和分解氫。實(shí)際的化學(xué)反應(yīng)發(fā)生在酶深層的活性部位。“因此，反應(yīng)所需的電子和質(zhì)子必須找到一種有效的途徑，”來自波鴻光生物技術(shù)研究組的Oliver Lampret博士解釋道，他是這篇論文的作者之一。電子傳輸是通過一根電線進(jìn)行的，可以說，它是由幾個(gè)鐵硫團(tuán)簇組成的。質(zhì)子通過由五個(gè)氨基酸和一個(gè)水分子組成的質(zhì)子轉(zhuǎn)移通道轉(zhuǎn)運(yùn)至活性中心。
光生物技術(shù)研究組的負(fù)責(zé)人Thomas Happe教授說：“盡管已經(jīng)知道存在質(zhì)子耦合的電子轉(zhuǎn)移機(jī)制，但研究人員迄今認(rèn)為耦合只發(fā)生在活性中心。”
蛋白質(zhì)工程使耦合可見
研究小組對氫化酶進(jìn)行了操作，使得質(zhì)子轉(zhuǎn)移的速度明顯減慢，但氫仍然可以被轉(zhuǎn)化。利用動(dòng)態(tài)電化學(xué)，他們發(fā)現(xiàn)氫轉(zhuǎn)化率顯著下降，更重要的是，需要顯著的過電位來催化氫的產(chǎn)生或裂解。通過控制質(zhì)子轉(zhuǎn)移途徑，研究人員間接地降低了電子轉(zhuǎn)移的速率。
Oliver Lampret總結(jié)道：“由于兩個(gè)轉(zhuǎn)移路徑在空間上是分開的，我們假設(shè)這兩個(gè)過程的遠(yuǎn)程協(xié)同耦合對于高效催化是必要的。”這一發(fā)現(xiàn)將有助于未來開發(fā)更高效的氫化酶催化劑。
