Nature | 氢动力CO2固定的驱动力——膜锚定HDCR纳米线

二氧化碳（CO2）作为主要的温室气体之一，它的持续排放正在导致大气温度升高，引起全球气候危机1。而氢能源作为化石燃料替代品以减少CO2排放，正受到越来越多的关注。然而，氢气由于低体积能量密度及爆炸危险等，实际应用非常受限2。因此，CO2直接氢化形成甲酸可同时实现氢储存和碳捕获。由于CO2的热力学稳定性高，氢化反应具有挑战性，几乎所有的化学催化剂效率都较低或需要苛刻的反应条件3，无法投入实际应用。因此，产乙酸菌中用于CO2固定的氢依赖性CO2还原酶HDCR展现出了非常有希望的生物催化剂应用前景。  

作为一种丝状酶（filamentous enzyme），HDCR可以直接催化H2和CO2转变为甲酸，且它还原CO2的活性高于任何其它生物或化学催化剂4-5。因此，HDCR在氢储存及CO2捕获以对抗气候变化领域受到广泛关注。然而，HDCR高催化转换率的机制基础仍然未知。

2022年7月20日，马尔堡-菲利普斯大学Jan M. Schuller团队、法兰克福大学Volker Müller团队及巴塞尔大学Benjamin D. Engel团队联合在国际综合学术期刊Nature上在线发表了题为“Membrane-anchored HDCR nanowires drive hydrogen-powered CO2 fixation”的研究论文，通过冷冻电镜单颗粒分析技术解析了产乙酸菌Thermoanaerobacter kivui的HDCR高分辨率三维结构，并进一步使用冷冻电镜断层成像技术（cryo-ET）对细胞原位HDCR进行了分析，从而对HDCR的高转换率分子机制提出见解。

研究者首先从Thermoanaerobacter kivui中纯化得到了HDCR，并进行了单颗粒三维重构，得到了整体分辨率为3.4 Å的短HDCR纤维丝结构，其中核心区域分辨率达到2.7 Å，而周边酶区域分辨率较低（低于5 Å）。HDCR纤维丝的最小重复单元是六聚体，其中HycB3和两个HycB4形成了核心，两个HydA2氢化酶结合至两个HycB4蛋白，一个FdhF甲酸脱氢酶结合至HycB3蛋白（图1）。

图1  短HDCR纤维丝的冷冻电镜结构

其中的酶活性蛋白朝向HycB3-HycB4核心的外部，整体形成了三芒星形状（图2）。HydA2由两个结构域组成，干结构域含有两个[4Fe4S]簇，可以直接传递电子至包含催化H-cluster的活性位点（图2）。FdhF包含了结构域I，II，III和柔性的IV，且装载了一个[4Fe4S]簇和一个氧化还原活性的钨离子。FdhF具有一个漏斗状开口，提供了甲酸进入活性位点的入口以及保守的CO2通道，并且通过HycB3进行电子传递（图2）。

整个结构中，FdhF与HydA2催化位点之间通过相邻间隔约10 Å的[4Fe4S]簇网络连接起来，从而可以实现电子在HDCR纤维丝上的快速穿梭。小电子传导亚基HycB3和HycB4形成了HDCR的核心，直接连接酶亚基。HycB3与HycB4非常相似，主要由loop区域的差别决定结合酶亚基的特异性，HycB4结合HydA2，而HycB3招募FdhF（图2）。

图2  HDCR纤维丝中重复单元的分子连接

HDCR的寡聚由HycB3和HycB4的长C末端α螺旋介导（图3a），这些螺旋插入由临近HycB亚基的反平行β折叠（β3-4）形成的结合沟中，互作界面主要由疏水相互作用以及与多肽骨架间的氢键维持。HycB4还存在另外一个由loop插入形成的互作界面（图3a），而HycB3对应的loop则参与结合FdhF。纤维丝中这种连接性对于酶活性和生理功能具有重要作用，HDCR缺失突变体菌株中HDCR回补可挽救突变体的生长表型（图3b），而亚基缺失则导致HDCR活性丧失。此外，HDCR纤维丝的尺寸和活性之间存在着明显的相关性，纤维化程度越低，活性越低（图3f）。因此，HDCR的纤维化形式是整个酶活性最高的状态。

图3  HDCR纤维化增强活性

除了纤维丝之间的直接连接，其它的蛋白-蛋白相互作用也可能帮助稳定周围的酶附着；此外，纤维形成也可能固定整个HycB骨架，从而将中心的纳米线锁定在有利于有效电子传递的构象。这样电子就可以进行远距离传递从而实现远离H2氧化位点的CO2的还原（图4）。与多细胞色素及多血清素蛋白相似，HDCR纳米线可以储存电子，从而实现这两种反应的时空分离，以最大化酶活性。

图4  HDCR纤维丝中的电子纳米线

最后，通过聚焦离子束切割及冷冻电镜断层成像技术，研究者对Thermoanaerobacter kivui细胞原位的HDCR纤维丝进行了分析，发现这些纤维丝形成了束（bundles）附着在细胞膜上（图5）。这些附着细胞膜的成束纤维丝组装成了大的环状超结构，既有完整的环，也有部分的环，完整环的内部直径达200nm。与分离纯化的HDCR相比，原位结构中的螺距更大，这可能是由于纤维束中侧方互作导致的。由此推测，单颗粒结构中周围的酶电子密度不理想，也可能是不同纤维束的螺距变化造成；此外，在纤维束中酶占据较低的区域，不同束之间的侧向电子传导也可能存在。

图5  原位HDCR纤维丝束结构

关于HDCR成束以及膜锚定的功能仍然需要未来的深入探索。可能HDCR的这种分子连接以及超分子结构帮助了极端环境下的菌协调了氢和碳的浓缩机制，从而使得接近热力学限制的代谢成为可能。因此，HDCR这种特殊的催化活性使它成为了H2储存和碳捕获的有力工具，以促进可再生能源的产生和应对气候变化，未来应用潜力巨大。

参考文献

1. Scheffers, B. R., De Meester, L., Bridge, T. C., Hoffmann, A. A., Pandolfi, J. M., Corlett, R. T., ... & Watson, J. E. (2016). The broad footprint of climate change from genes to biomes to people. Science, 354(6313), aaf7671.

2. Fukuzumi, S. (2008). Bioinspired energy conversion systems for hydrogen production and storage. European Journal of Inorganic Chemistry, 2008(9), 1351-1362.

3. Sordakis, K., Tang, C., Vogt, L. K., Junge, H., Dyson, P. J., Beller, M., & Laurenczy, G. (2018). Homogeneous catalysis for sustainable hydrogen storage in formic acid and alcohols. Chemical reviews, 118(2), 372-433.

4. Schuchmann, K., & Müller, V. (2013). Direct and reversible hydrogenation of CO2 to formate by a bacterial carbon dioxide reductase. Science, 342(6164), 1382-1385.

5. Schwarz, F. M., Schuchmann, K., & Müller, V. (2018). Hydrogenation of CO2 at ambient pressure catalyzed by a highly active thermostable biocatalyst. Biotechnology for biofuels, 11(1), 1-11.

供稿 | 丛野

审稿 | 王彤彤

责编 | 囡囡

排版 | 可洲