Angew Chem Int Ed∣酶-电催化固定CO2和NH3，合成甘氨酸

“Angew Chem Int Ed∣酶-电催化固定CO₂和NH₃，合成甘氨酸”

文献信息：        

Ranran Wu, Fei Li, Xinyu Cui, Zehua Li, Chunling Ma, Huifeng Jiang, Lingling Zhang, Yi-Heng P. Job Zhang, Tongxin Zhao, Yanping Zhang, Yin Li, Hui Chen, and Zhiguang Zhu.

https://doi.org/10.1002/anie.202218387

Angewandte Chemie International Edition 影响因子：16.823

背景介绍

酶电合成作为一种新兴的绿色合成平台，在CO₂的固定领域上引起了越来越多的关注。然而，利用CO₂和一个含氮分子进行酶促电合成增值产品的研究从未见报道。

在本研究中，作者构建了一个基于还原甘氨酸途径（reductive glycine pathway）的体外多酶级联反应，并CO₂和NH₃作为唯一的碳和氮源来合成甘氨酸。通过有效偶联、优化电化学辅助因子再生和多酶级联反应，可得到0.81 mM甘氨酸，反应速率最高为8.69mg/L·h，法拉第效率高达98%。

图文解读

图1 酶-电合成甘氨酸的途径的设计

（a）体外多酶级联合成甘氨酸的途径。

FDH：甲酸脱氢酶；FtFL：甲酸四氢叶酸连接酶；FchA：次甲基四氢叶酸环水解酶；MtdA：亚甲基四氢叶酸脱氢酶；GCS：甘氨酸裂解系统；PPK：聚磷酸激酶；THF：四氢叶酸。

（b）在pH值为7.0、离子强度为0.1 M的条件下，每一步和总反应的标准吉布斯自由能。

图2 酶-电合成甘氨酸的验证

（a）在三电极体系中，使用两种不同的FDH合成的甲酸盐。

（b）在添加5,10-亚甲基THF、碳酸氢铵、硫酸锌和NADH的条件下，使用GCS合成甘氨酸的性能。

（c）在添加NH₃HCO₃、THF、ATP、NADH、NADPH和叶酸的条件下，不同甲酸浓度对甘氨酸合成的影响。

（d）在添加NH₃HCO₃、THF、ATP、NAD⁺、NADP⁺和叶酸的条件下，甘氨酸的合成情况。

图3 甘氨酸合成条件的优化

（a）NaHCO₃、NH₄Cl和缓冲buffer的优化。

（b）FtfL、FchA和MtdA等酶添加量的优化。

（c）利用MothFtFl、cfFchA-1、cfFchA-2和cfFchA-MtdA替代，以及cfFchA-MtdA添加浓度的优化。

（d）酶-电合成甘氨酸性能，及过程中的法拉第效率。

图4 同位素标记甘氨酸合成过程中的碳和氮

（a）以NaH¹³CO₃为底物，合成甘氨酸时¹³C的相对丰度。

（b）以¹⁵NH₄Cl为底物，合成甘氨酸时¹⁵N的相对丰度。

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