【Gamry】提升甲醛脫氫酶直接電子轉移能力的蛋白質工程
提升甲醛脫氫酶直接電子轉移能力的蛋白質工程
Dirk Holtmann and Anna-Lena Drommershausen a Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Karlsruhe,
Germany; Group Website
介紹與背景
將 CO2 轉換為甲醇等有價值原料，是永續經濟的重要支柱，而甲醛脫氫酶（FaldDH）在其中經常扮演關鍵角色。此酶可逆地催化甲醛轉換為甲酸鹽。然而，在自然界中，此酶需要一種非常昂貴的「輔助物質」（輔因子 NADH），這使其至今在工業上的應用缺乏經濟效益。為了解決這個問題，卡爾斯魯厄理工學院（Karlsruhe Institute of Technology, KIT）的研究人員研究了一種可將所需氧化還原當量直接輸送至酶中的方法，而無需任何中間步驟——此過程稱為直接電子轉移（Direct Electron Transfer, DET）。由於酶通常不擅長直接從電極接受電流，因此科學家使用了一種蛋白質工程技巧：將此酶與一種生物「中繼器」——細胞色素 b562 結合，後者可像小型暫存裝置般傳遞電子。在此連接中，研究人員測試了各種「間隔結構」（蛋白質連接子）：一方面是剛性且相對不易移動的連接，另一方面則是高度柔性的可移動鏈結。為了找出最佳組合，研究人員將改質後的酶固定於金電極上，並使用高精度量測設備（如 Gamry 恆電位儀）進行研究。這些設備可在受控環境中精確控制與量測電流，同時研究酶的行為。
圖 1：FaldDH 固定於金電極上，以及在無輔因子條件下將甲醛氧化為甲酸鹽所涉及之直接電子轉移的示意圖（概念驗證反應）。
實驗
在本研究中，研究人員以分子方式構建了多種融合蛋白，其中細胞色素 b562 透過不同型態的連接子與 FaldDH 相連。電化學特性分析使用 Gamry 1010B 恆電位儀與 IMX8 多工器，並搭配 Gamry Framework 軟體進行。該特性分析於三電極配置下進行。面積為 0.02 mm2 的金電極作為工作電極，並於每次實驗前以細粒度砂紙拋光，以確保可重現的表面條件。鉑線作為對電極，而銀／氯化銀（Ag/AgCl）電極作為參考電極。
為了詳細研究電子轉移，研究人員為循環伏安法（CV）選擇了特定量測參數（圖 2）。相對於銀／氯化銀參考電極，其電位範圍為 -200 mV 至 +400 mV，掃描速率為 10 mV/s，步進大小為 5 mV。此外，使用了 Gamry 軟體的 Surface Sampling Mode，以在整個電位步階期間對電流進行平均，並在固定模式下將最大電流設定為 0.01 mA。
註：在測試受表面限制的氧化還原反應時，必須啟用 Surface mode。請參閱：Surface Mode explained 與 Surface Mode in square wave voltammetry。
此方法可精確記錄電容效應與表面束縛法拉第反應；所有量測皆於受控條件下進行。為此，使用 pH 7.0 的 100 mM 磷酸鹽緩衝液，並事先以氮氣（N2）吹掃，以確保無氧環境。
然而，在量測過程中亦發現了不希望出現的干擾效應；研究顯示甲醛會與蛋白質表面的鹼性胺基酸（如離胺酸）發生反應，進而導致電化學訊號失真。為了修正這些副反應，研究人員開發了一種校正方法，根據鹼性胺基酸的可接觸表面積對量測數據進行正規化。透過此方式，可以可靠地將純催化電流與干擾成分分離。藉由所開發的評估策略，可以透過計算方式消除這些影響，並精確測定實際催化電流。
整體而言，結果顯示連接子的選擇對電子轉移效率具有決定性影響。剛性連接會限制電流流動，而長且柔性的結構則可顯著提升性能。相較於野生型酶所達成的 1.6 倍電流密度提升代表了重大進展，並突顯此方法在開發高效率無輔因子生物催化方面的潛力。此外，這些研究成果也為 CO2 還原應用及高性能生物感測器的開發開啟了新的方向。
圖 2：BmFaldDH、未鍍覆電極（陰性對照）以及具有 20 個胺基酸連接子的 BmFaldDH 融合蛋白（BmFaldDH_L2-20）的電化學特性分析。循環伏安圖以平均電流密度 [μA/cm²] 對相對於銀／氯化銀參考電極之電壓 [V] 作圖，顯示在 20 mM 甲醛濃度下所選酶變體的量測結果。
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應用說明：提升甲醛脫氫酶直接電子轉移能力的蛋白質工程，版本 1.0，2026/5/13。© 2026 C3 Prozess- und Analysentechnik GmbH 版權所有。Interface 與 Framework 為 Gamry Instruments, Inc. 的商標。
