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(guò)程中，為實(shí)現(xiàn)高效生物電子傳遞，需要設(shè)計(jì)一定的結(jié)合驅(qū)動(dòng)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(shì)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(duì)實(shí)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(guó)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(duì)，以一種結(jié)構(gòu)復(fù)雜的四亞基氫酶（PfSHI）為對(duì)象，通過(guò)設(shè)計(jì)不同的PfSHI-電極界面，結(jié)合直接電化學(xué)法對(duì)界面微環(huán)境的解析，驗(yàn)證了酶與電極的交互結(jié)構(gòu)域?yàn)?gamma;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(hào)、電子轉(zhuǎn)移數(shù)和酶構(gòu)象之間的關(guān)系，預(yù)測(cè)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(gè)酶-電極界面模型。另外，該研究還測(cè)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(duì)各模型相關(guān)動(dòng)力學(xué)參數(shù)進(jìn)行擬合和計(jì)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(jì)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(cè)試，研究預(yù)測(cè)了PfSHI在電極表面吸附動(dòng)力學(xué)過(guò)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(shí)驗(yàn)?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(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)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(dòng)等的資助。