酶基生物燃料电池以酶为生物催化剂，通过电化学途径将生物质燃料中的化学能直接转化为电能。酶生物燃料电池反应条件温和、原料来源廉价、生物相容性好，可望作为一种绿色的能源转换器件，具备便携型电源、植入式在体电源为人体的人造器官或可穿戴生物传感器提供能源的潜力。但是，酶生物燃料电池存在功率密度相对低、运行稳定性差和电压输出低等主要挑战。淀粉是一种来源广泛的多糖，是一种比较便宜的燃料。传统的无机催化剂很难将淀粉水解并氧化。生物酶具有很高的催化选择性，并可以用来释放淀粉中的化学能。葡萄糖淀粉酶可以将淀粉水解成葡萄糖，而葡萄糖可以进一步被葡萄糖氧化酶氧化，并释放出电子。

近日，青岛大学生命科学学院刘爱骅教授（点击查看介绍）领导的化学生物学与生物传感研究所和法国同行合作，利用微生物表面共展示调节葡萄糖淀粉酶 (GA) 和葡萄糖氧化酶 (GOx) 的组装，从而调控其整体催化活性，并应用于淀粉/氧气生物燃料电池。他们将GA和GOx通过a-凝集素受体作为锚定支架和cohesin-dockerin作用，首次在酵母细胞表面构建了精确定位的酶级联。利用支架蛋白可控的调节了两种酶的比例和空间位置，并优化了展示顺序，重组菌株的整体催化活性受组装方法、酶分子大小、顺序酶个数比的影响。当GA/GOx比为2:1时，总体反应速率最高。基于顺序酶可控共展示菌固定在电极表面，作为生物燃料电池的阳极，组装了淀粉/O₂酶基生物燃料电池，进而实现了生物质到电能的直接转换。其性能显著优于已报道的其他淀粉/O₂酶生物燃料电池。最高功率密度为36.1 ± 2.5 μW cm⁻²，电池电压为0.78 V。相关成果发表在J. Am. Chem. Soc.杂志。

图1. 利用a-凝集素受体作为锚定支架和cohesin-dockerin作用，在酵母细胞 （EBY）表面调控顺序酶的不同比例

图2. （A）基于GA&GOx-yeast的淀粉/氧气燃料电池工作原理示意图。(B, C) 双室淀粉/氧气燃料电池的功率密度曲线图。阴极室为漆酶/石墨烯/GCE，含0.5 mM ABTS、氧气饱和的 0.2 M 柠檬酸-Na₂HPO₄缓冲溶液（pH 5.0）；(a,b,c) 阳极室为酶组装的酵母细胞/石墨烯/GCE，含0.5 mM亚甲基蓝和1.0 % (w/w)淀粉、0.2 M 柠檬酸-Na₂HPO₄缓冲溶液（pH 5.0）。空白对照(d)由酵母/石墨烯/GCE阳极和漆酶/石墨烯/GCE阴极组成的电池。(D) 淀粉/氧气燃料电池的最大功率密度随阳极催化剂的变化。当组装GA/GOx的分子数比例为2：1时，电池的功率密度最优。这是因为葡萄糖淀粉酶的酶活相对小，提高其比例，可以优化葡萄糖氧化酶的底物供应。此外，由于共展示的酶具有更优的局域效应，所产生的功率密度都要优于非展示的随机混合体系。

总结

本研究提出通过理性设计、组装顺序酶以提高酶的生物催化活性和稳定性，在合成生物学、生物催化、生物能源、生物传感和生物电合成等领域将具有重要的应用前景。

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Controllable Display of Sequential Enzymes on Yeast Surface with Enhanced Biocatalytic Activity toward Efficient Enzymatic Biofuel Cells

Shuqin Fan, Bo Liang, Xinxin Xiao, Lu Bai, Xiangjiang Tang, Elisabeth Lojou, Serge Cosnier, Aihua Liu

J. Am. Chem. Soc., 2020, 142, 3222−3230, DOI: 10.1021/jacs.9b13289

导师介绍

刘爱骅

https://www.x-mol.com/university/faculty/160749  

http://smkx.qdu.edu.cn/info/1058/1962.htm

撰稿：梁波、肖鑫鑫

校正：刘爱骅