生物-電極在生物電池、生物傳感和生物電合成等方面均有重要應(yīng)用。在酶-電極構(gòu)建過程中，為實現(xiàn)高效生物電子傳遞，需要設(shè)計一定的結(jié)合驅(qū)動力、合理的酶-電極交互方式和穩(wěn)定的界面微環(huán)境。根據(jù)Marcus電子傳遞理論，傳遞距離和電勢差是制約傳遞速率的重要因素。由于酶分子復(fù)雜的表面理化性質(zhì)和結(jié)構(gòu)組成，探究酶-電極界面上酶與電極的結(jié)合方式和互作機(jī)制，使酶以特定空間取向固定于電極，對實現(xiàn)高效生物電子傳遞和提高酶-電極性能具有重要意義。

近日，中國科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所體外合成生物學(xué)中心研究員朱之光帶領(lǐng)的團(tuán)隊，以一種結(jié)構(gòu)復(fù)雜的四亞基氫酶（PfSHI）為對象，通過設(shè)計不同的PfSHI-電極界面，結(jié)合直接電化學(xué)法對界面微環(huán)境的解析，驗證了酶與電極的交互結(jié)構(gòu)域為γ亞基，其結(jié)合輔因子FAD和[2Fe-2S]2+/1+均能與電極進(jìn)行直接電子傳遞。研究分析界面表面電荷、非轉(zhuǎn)化信號、電子轉(zhuǎn)移數(shù)和酶構(gòu)象之間的關(guān)系，預(yù)測了該氫酶在不同帶電電極表面上的微觀構(gòu)象，建立了多個酶-電極界面模型。另外，該研究還測試PfSHI在不同pH值下直接電催化和間接電催化電流的大小及比率，對各模型相關(guān)動力學(xué)參數(shù)進(jìn)行擬合和計算，得到不同酶-電極界面隧穿距離和電子傳遞效率的大小分布，并設(shè)計出最優(yōu)的一組酶-電極界面。基于以上結(jié)論及石英晶體微天平測試，研究預(yù)測了PfSHI在電極表面吸附動力學(xué)過程，闡明了PfSHI在功能化電極上的吸附機(jī)理，為構(gòu)建高性能生物電催化界面奠定了理論基礎(chǔ)、提出了實驗?zāi)Ｐ汀?br />
相關(guān)研究成果發(fā)表在ACS Catalysis上。研究工作得到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金和天津市合成生物技術(shù)創(chuàng)新能力提升行動等的資助。