半人工光合系統(tǒng)結(jié)合了光催化材料的優(yōu)異吸光性能和生物催化的高選擇性，與基于細(xì)胞的半人工光合系統(tǒng)相比，光電子在光催化材料和生物酶的活性中心之間的轉(zhuǎn)移更為高效，可避免因生物質(zhì)積累導(dǎo)致的產(chǎn)物和能量損失。因此，非生物-生物界面間的快速定向電子轉(zhuǎn)移為基于酶催化的氧化還反應(yīng)原活性和選擇性的調(diào)控提供了可能。 氮是生命的基本元素，氮素的轉(zhuǎn)換在化學(xué)工業(yè)和自然生態(tài)系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用，在酶水平上精確調(diào)控生物轉(zhuǎn)化途徑對(duì)于硝酸鹽的綠色處理和可持續(xù)利用具有重大的科學(xué)和技術(shù)意義。 近日，清華大學(xué)劉銳平教授和中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)陳潔潔教授合作，構(gòu)建了一種氮化碳半導(dǎo)體-生物酶雜合體，利用電子定向轉(zhuǎn)移使硝酸鹽的還原產(chǎn)物穩(wěn)定控制為亞硝酸鹽，其選擇性高達(dá) 95.3%。該研究為調(diào)控非生物-生物界面間電子轉(zhuǎn)移提供了新思路，也為氮污染控制和可持續(xù)利用提供了新途徑。
該研究將富含氰基的氮化碳（g-C3N4-CN）與反硝化酶中的硝酸還原酶（NarGH）結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了硝酸鹽到亞硝酸鹽的高選擇性轉(zhuǎn)化。氰基基團(tuán)為光電子從g-C3N4-CN納米片轉(zhuǎn)移到粗酶的中的NarGH提供了獨(dú)特的途徑。利用純化的 NarGH 和亞硝酸還原酶（cd1NiR），揭示了一種依賴于酶類型的電子定向傳遞機(jī)制，并通過分子動(dòng)力學(xué)模擬和實(shí)驗(yàn)研究證實(shí)了這一機(jī)制。光-酶協(xié)同還原生成亞硝酸鹽還可以與其他微生物氮轉(zhuǎn)化途徑相耦合，如厭氧氨氧化（Anammox）和硝酸鹽異化還原成銨（DNRA），使生物脫氮和合成氨效率顯著提升。 這項(xiàng)研究提出的非生物-生物界面的電荷定向轉(zhuǎn)移策略，僅需使用簡單步驟獲取粗酶即可調(diào)控反應(yīng)的選擇性，避免了復(fù)雜酶純化制備流程，可減少酶損失和降低成本，為基于光合生物雜的硝酸鹽可持續(xù)利用和其他生物轉(zhuǎn)化過程的選擇性調(diào)控提供了一條新途徑。 論文信息 Directional Electron Transfer in Enzymatic Nano-Bio Hybrids for Selective Photobiocatalytic Conversion of Nitrate Dr. Jiyong Bian, Xiaoqiang An, Jing Zhao, Yang Liao, Xianen Lan, Prof. Ruiping Liu, Prof. Chengzhi Hu, Prof. Jie-jie Chen, Huijuan Liu, Jiuhui Qu 文章的第一作者是清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院博士后邊繼踴 Angewandte Chemie International Edition DOI: 10.1002/anie.202412194
