漆酶生物電化學和電催化研究取得新突破

漆酶作為一種多銅族氧化酶， 因其能夠實現在較低過電位下對氧氣分子的電化學催化還原， 因而在生物燃料電池和生物電化學的傳感研究領域中備受關注。 和其他生物酶相似， 漆酶具有複雜的分子結構， 其活性中心的銅離子(氧化酚類底物的T1銅離子和還原氧氣的T2-T3銅簇， 圖1）深埋于酶分子的內部。 這些特點決定了在常規的電化學體系中， 很難實現漆酶分子的直接電子轉移和基於此的生物電化學催化， 儘管這些研究在生物電化學的基礎和應用研究中具有極其重要的意義。

中國科學院化學研究所活體分析化學實驗室毛蘭群課題組研究人員較早即致力於漆酶的電化學和基於此的生物燃料電池的研究。

他們率先發現漆酶可以在碳納米管電極上實現其與電極間的直接電子轉移(Electroanalysis 2006, 18, 587-594)。 進一步， 他們利用此性質， 成功地研製了基於漆酶直接電催化的生物燃料電池(Adv. Mater. 2006, 18, 2639; Electrochem. Commun. 2007, 9, 989; Electrochem. Commun. 2008, 10, 851; Fuel Cells 2009, 1, 85)。

近期， 在國家自然科學基金委、科技部、中科院和中國博士後基金的支持下， 他們在漆酶直接電催化氧還原研究方面取得了新進展。 在通常條件下， 漆酶在碳納米管表面的取向是隨機的和無序的， 僅有少量漆酶分子能夠實現其與電極間的直接電子傳遞。 研究發現， 在製備漆酶-碳納米管複合物的過程中， 20%乙醇溶液的加入可以明顯提高所製備的電極對於氧氣電化學催化的電流。

結合蛋白結構解析等， 他們揭示了乙醇調控漆酶-碳納米管複合物催化性能的機理， 即乙醇可作為橋樑小分子， 一方面吸附于碳納米管表面， 提高其浸潤性；另一方面， 乙醇分子與漆酶蛋白凹槽（直徑約1 nm）內靠近T1銅離子的酚類底物結合位點形成氫鍵， 促進了碳納米管曲面與漆酶凹槽的對接， 通過優化蛋白在碳納米管上的取向， 進而促進了銅離子活性中心與電極間的高效直接電子傳遞（圖2）。 進一步， 他們發現， 有機溶劑的調控作用與其極性、致酶變能力以及蒸汽壓等密切相關。 其中， 同樣具有較低極性、弱致酶變能力、高蒸汽壓的丙酮和乙腈也能夠增加電極對於氧氣的電化學催化電流。 相反， 具有較高極性、強致酶變能力、低蒸汽壓的二甲基甲醯胺和二甲亞碸， 則會導致電極對於氧氣的電化學還原幾乎失去活性。

相對於已報導的提高漆酶電催化活性的方法， 利用有機溶劑分子提高漆酶的直接電催化性能則更簡單有效。 該研究不僅在生物電化學的基礎研究中具有重要的意義， 而且也為進一步構築基於生物燃料電池原理的自驅動活體分析與傳感奠定了基礎。 相關成果發表於J. Am. Chem. Soc. 2017, 139, 1565-1574。

圖1 漆酶的蛋白分子結構及其直接電催化氧氣還原的機理

圖2 乙醇調控漆酶在碳納米管表面的取向和電極對於氧氣的生物電化學催化還原性能