纳米晶体-钼氮酶生物杂化体系预稳态动力学揭示空穴清除效率对N2还原的关键作用

本研究通过电子顺磁共振光谱技术，解析了CdS纳米晶体与钼铁蛋白(MoFe protein)生物杂化体系光驱动N2还原的预稳态动力学。研究人员建立了首个光驱动氨合成动力学模型，阐明空穴清除剂浓度通过调控电子传递速率影响E4(4H)中间体积累，揭示了氧化还原反应平衡对维持N2还原活性的关键机制，为设计高效人工固氮系统提供理论依据。

　　

在能源危机与碳中和背景下，如何实现温和条件下的高效固氮一直是化学与生物学交叉领域的重大挑战。传统Haber-Bosch工艺需要高温高压，而自然界中的固氮酶虽能在常温常压下将N₂转化为NH₃，但其复杂的两组分系统（铁蛋白Fe protein和钼铁蛋白MoFe protein）和ATP依赖的电子传递机制限制了人工模拟与应用。更棘手的是，在催化过程中，钼铁蛋白的FeMo-cofactor（FeMo辅因子）需要积累多个电子/质子才能激活强惰性的N≡N三键，而缓慢的电子传递速率常导致竞争性副反应（如H₂生成）的发生，严重降低固氮效率。

针对这一瓶颈问题，美国国家可再生能源实验室（National Renewable Energy Laboratory）的研究团队创新性地利用CdS纳米晶体替代天然铁蛋白，构建了光驱动氮酶生物杂化系统。通过精确调控空穴清除剂（sacrificial electron donor, SED）浓度与低温光化学电子传递过程，首次捕获到N₂还原关键中间体，并建立定量动力学模型，揭示了决定固氮效率的分子机制。这项突破性成果发表于《Cell Reports Physical Science》，为发展新型光驱动人工固氮系统提供了重要理论基础。

研究团队主要采用三种关键技术：1）低温（233 K）光化学电子传递结合冷冻淬灭技术，通过控制反应温度减缓动力学过程；2）电子顺磁共振（EPR）光谱解析FeMo辅因子不同还原态（E_n-state）中间体的电子构型；3）基于Lowe-Thorneley模型的改进动力学模拟，定量分析NaDT浓度对电子传递速率（v_cat）与失活常数（k_INACT）的影响。

预稳态动力学揭示SED浓度对N₂转化的调控

通过系统改变二亚硫酸钠（NaDT）浓度（0-40 mM），研究发现NH₃产率与NaDT呈正相关，当浓度达20 mM时H₂/NH₃产物选择性从6:1优化至2:1（接近天然氮酶1:1水平）。EPR光谱显示，高NaDT浓度促进E₄(4H)中间体积聚，表明电子传递速率已超过N₂结合与H₂释放的竞争反应速率。

中间体捕获与动力学模型构建

在233 K冷冻状态下光激发200分钟，EPR检测到五种S=3/2信号（E₀和四种E₂异构体）及七种S=1/2信号（包括E₄(4H)和E₄(2N₂H)）。改进的Lowe-Thorneley模型成功拟合中间体动态变化（RMSD=0.015 spin mol^-1），定量显示v_cat（0.086 min^-1）>k_HP4（0.052 min^-1）>k_re（0.007 min^-1），证实电子传递是限速步骤。

空穴清除效率的双重效应

模型分析揭示NaDT浓度通过Michaelis-Menten机制调控v_cat（v_max=0.082 min^-1, K_M=6.08 mM），但同时也增加酶失活风险（k_INACT随NaDT升高）。暗退火与氧化实验证实高NaDT条件下约50% FeMo辅因子转化为非催化态X，这可能是由E₀氧化生成MOX态所致。

这项研究首次阐明了光驱动氮酶体系中电子传递与空穴清除的动力学平衡机制：1）SED浓度通过调控v_cat决定E₄(4H)积累与N₂还原效率；2）高电子传递速率虽能抑制竞争性H₂生成，但会加剧酶氧化失活；3）建立的预稳态模型为优化生物杂化系统提供了量化工具。该工作不仅深化了对氮酶催化机制的理解，更通过纳米材料与酶工程的巧妙结合，为发展可再生能源驱动的绿色合成路线开辟了新途径。未来通过定向调控CdS纳米晶尺寸、表面配体等参数，有望实现电子/空穴传递速率的精确匹配，最终突破人工固氮的能量转换效率瓶颈。