用电捕获二氧化碳微生物酶激发电化学

人类不断排放温室气体，加剧全球变暖。例如，二氧化碳(CO2)多年来会大量积累，并且化学性质非常稳定。然而，一些微生物使用高效酶捕获CO2。来自不来梅马克斯·普朗克海洋微生物学研究所的科学家与日内瓦大学和拉德堡德大学一起分离出了其中一种酶。

当酶在电极上进行电子分支时，他们观察到CO2以完美的效率转化为甲酸盐。由于其显着的方向性和速率，这种现象将激发新的CO2固定系统。结果现已发表于《AngewandteChemie》上。

寻找能够有效捕获温室气体CO2的微生物

马克斯·普朗克海洋微生物研究所(MPIMM)马克斯·普朗克微生物代谢研究组组长特里斯坦·瓦格纳(TristanWagner)表示：“微生物使用的酶为科学家提供了一个梦幻般的游乐场，因为它们可以快速发生高度特异性的反应。”。

其中一些酶具有捕获二氧化碳的有趣方式2的有趣方式：它们将其转化为甲酸盐，这是一种稳定且安全的化合物，可用于储存能量或合成用于工业或制药目的的各种分子。一个例子是Methermicoccusshengliensis，这是一种从油田分离出来的产甲烷菌(一种产生甲烷的微生物)，在50°C下生长。

过去几年，荷兰拉德堡德大学的JuliaKurth和CorneliaWelte一直在培育和研究它。在马克斯·普朗克海洋微生物研究所，OlivierLemaire、MélissaBelhamri和TristanWagner解剖了微生物，以找到其CO2捕获酶，并测量其转化CO2的速度和效率。

具有巨大潜力的CO2转化酶

马克斯·普朗克科学家承担了分离微生物酶的艰巨任务。“因为我们知道这些酶对氧气敏感，所以我们必须在没有环境空气的厌氧帐篷内工作，将其与其他蛋白质分离——相当复杂，但我们成功了，”奥利维尔·勒梅尔说。一旦分离出来，科学家们就确定了这种酶的特性。

他们表明，它可以有效地从CO2生成甲酸，但逆反应速度非常慢且产率很低。“众所周知，属于甲酸脱氢酶家族的类似酶可以在两个方向上发挥作用，但我们发现，来自胜莲梅瑟米球菌的酶几乎是单向的，无法有效地将甲酸转化回CO2。“我们对这种现象感到非常兴奋，这种现象只有在没有氧气的情况下才会发生，”她补充道。

“由于CO2固定产生的甲酸盐无法转化回去并因此积累，因此这样的系统将是CO2非常有趣的候选系统TristanWagner指出：

这样做的优点是：随着酶以自然或化学方式附着在电极上，捕获CO2所需的“能量”将直接由电极传递，而不会有电流损失，也不需要昂贵或有毒的化合物作为继电器。因此，酶结合电极对于气体转化过程来说是高效且有吸引力的系统。因此，纯化的酶被送往日内瓦大学建立基于电极的CO2捕获系统。

纯化的MsFmd样品的组成和分子量。A.纯化的MsFmd复合物的SDSPAGE谱。B.复合物的天然PAGE分析。显示了根据梯子计算的条带的估计分子量。C.通过尺寸排阻色谱法测定MsFmd的分子量。使用校准套件(GEHealthcare)确定校准曲线。显示了蛋白质标准品的理论(计算)分子量。理论分子量和计算分子量分别显示为白点和灰点。红点显示在两个不同的纯化过程中测定的分子量。MsFmd大小是这两个实验的平均值。信用：AngewandteChemie国际版(2023)。DOI:10.1002/ani.202311981

基于电力的天然气转换

日内瓦大学的SelmihanSahin和RossMilton是电化学专家。他们使用连接到电流的电极来进行化学反应。基于电极的CO2生成甲酸盐通常需要污染金属和稀有金属，这就是为什么他们试图用MPIMM的TristanWagner小组提取的酶来代替这些金属。

酶在电极上结合的过程并不总是像预期的那样有效，但瓦格纳研究小组的酶具有可以促进该过程的特定特性。来自瑞士的科学家设法将这种酶固定在石墨电极上，并在那里进行气体转化。

测量的速率与使用经典甲酸脱氢酶获得的速率相当。Lemaire强调说：“这种与电极耦合的生物系统的优势在于其将电子从电力转移到CO2转化的效率。”

Sahin和Milton还证实，正如之前在反应管中观察到的那样，该系统的逆反应性能很差。因此，改进的电极连续地将温室气体转化为甲酸盐，而没有产生任何可检测到的副产物或电流损失。

大气CO2利用的新解决方案

这项合作工作为科学界提供了一种新的分子工具：一种通过高效传输电力来转化CO2的酶。可再生绿色能源(例如风能或太阳能)可以为基于电极的系统提供电力，该系统将CO2转化为甲酸，一种可直接用于应用或储存能量的分子。

“在我们之前，没有人尝试过研究来自这种产甲烷菌的酶用于基于电极的气体转化，”特里斯坦·瓦格纳说。“然而，产甲烷菌是天然的杰出气体转换器。”

尽管酶的功能非常强大，但将酶用于大规模工艺也需要类似规模的酶生产系统，这是一项相当大的投资。因此，虽然理论上所发现的策略可以显着改善CO2转化，但在应用之前需要深入了解酶机制，研究团队现在必须深入剖析该反应的分子秘密。