仿羧酶体人工光合系统组装级联多酶协同催化CO2还原至甲醇研究获进展

羧酶体是蓝藻等光合细菌进行光合作用的关键结构之一，通过将包括RuBisCO酶在内的多种蛋白，整合到限域多面体蛋白质骨架结构中，实现多酶高效协同级联催化，促进二氧化碳的高效转化。受此启发，利用自组装策略，模拟羧酶体多面体骨架结构，整合多酶体系与光催化活性中心到限域有序微环境中，对构筑新型人工光合体系、实现高效二氧化碳光还原转化具有重要意义。

近日，中国科学院上海有机化学研究所研究员田佳等，在仿羧酶体组装级联多酶复合人工光合体系催化CO₂还原至甲醇研究方面取得进展。

研究团队受羧酶体启发，通过水相中基于氢键相互作用的自组装，利用脒基单体、羧基单体与甲酸脱氢酶、甲醛脱氢酶及醇脱氢酶（ADH）的电荷增强氢键，通过原位一锅法共组装，实现基于多酶–光活性框架体系的人工光合系统制备。基于联吡啶钌基元的氢键有机框架，富集了光催化活性中心，能够在水相条件下实现高效的辅酶因子NAD⁺还原进而再生还原型辅酶Ⅰ（NADH），还原速率达4.5 mM/h。

进一步，研究团队通过与甲酸脱氢酶的整合，利用光活性框架再生NADH，以推动甲酸脱氢酶持续消耗NADH还原二氧化碳，实现高效的光催化二氧化碳还原制备甲酸。基于光催化位点与酶催化位点拉近效应，增强了光合体系催化制备甲酸的活性，催化甲酸转化频率达681 h^-1。同时，通过整合甲酸脱氢酶、甲醛脱氢酶和醇脱氢酶三酶级联体系，将多种蛋白共组装到框架中。共聚焦显微镜实验证明，三种蛋白在框架内部的均一性封装；基于光酶级联催化位点拉近效应，实现了高效光催化酶级联反应还原二氧化碳逐步至甲酸、甲醛到甲醇，其制备甲醇的效率达92 μM/h， 表观光量子效率达5.5%，经过5次催化循环仍保持85%催化活性。

这一模拟天然羧酶体结构的工作，提出了整合光催化与多酶级联催化构筑高效人工光合系统的新思路，为利用高效光–酶级联体系实现二氧化碳还原到高价值多碳产物开辟了道路。

9月15日，相关研究成果在线发表在《德国应用化学》上。研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国科学院相关项目等的支持。

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