甲酸脱氢酶的应用与研究

研究背景

甲酸脱氢酶(EC 1.2.1.2，FDH)是植物中普遍存在的一种含量丰富的酶，同时也是一种NAD依赖的酶，可以催化甲酸氧化成二氧化碳的可逆反应。作为植物植物一碳代谢的一部分，甲酸脱氢酶在植物响应各种环境胁迫、低氧或缺氧过程中发挥着重要的作用，因此在农学生产上具有很大的应用潜力[1]。

应用

利用甲酸脱氢酶可以提高纤维素水解液中甲酸和乙酸抗性，具体指的是通过过表达甲酸脱氢酶提高菌株对纤维素水解液中乙酸和甲酸的耐受能力。通过甲酸脱氢酶的过表达提高菌株对纤维素水解液中甲酸和乙酸的抗性，有助于纤维素乙醇的产业化生产[2]。

以紫外光表面接枝改性的聚乙烯(PE)中空纤维膜为载体，采用共价结合的方式固定化甲酸脱氢酶可以催化CO₂合成甲酸。与加压法相比，CO₂鼓泡法更有利于甲酸的生成，磷酸盐缓冲液优于Tris-HCl和盐酸三乙醇胺缓冲液，体系pH值对反应的影响较大，固定化甲酸脱氢酶的最佳pH值仍为6.0，但pH耐受性增强。而且，固定化FDH在4℃贮存两周后活性仅下降4%，相同条件下游离酶活性则下降50%。此外，甲酸脱氢酶催化膜重复利用10次后，活性也没有明显降低[3]。

有关研究

甲酸脱氢酶(FDH)是NADH循环再生的最佳酶之一，广泛应用于食品，医药和化工等行业。但是野生型甲酸脱氢酶普遍存在酶活低，催化效率差等缺点，导致产品转化率较低，影响产品的工业化生产。为了获得具有更佳催化性能的甲酸脱氢酶，研究人员以博伊丁假丝酵母(Candida boidinii)来源的甲酸脱氢酶为模板，利用HOTSPOT WIZARD v3.1进行三维结构模拟预测，构建了P68G，Q197K两个突变体，比酶活较野生型分别提高了11%和33%。这是由于P68G氨基酸残基侧链的苯环被氢取代，减少了甲酸盐底物进入口袋的空间位阻；而Q197K侧链酰胺基突变为胺丁基增强了酶的柔性。然而这两个突变点对甲酸脱氢酶的热稳定性产生了负面影响，因此在I239位引入半胱氨酸突变与C262构成二硫键以提高其热稳定性，最终获得一株热稳定性显著提高，比酶活较野生型提高31%，较I239C提高45%的突变株Cb FDH Q197K/I239C。通过半理性预测蛋白质结构提高了甲酸脱氢酶的活力和热稳定性，为高效构建性能稳定，还原力强的甲酸脱氢酶提供了理论基础[4]。

参考文献

[1]梅岩,陈丽梅.植物甲酸脱氢酶基因的表达调控及其生理功能研究进展[J].中国生物工程杂志, 2010, 30(5):133-139.DOI:CNKI:SUN:SWGJ.0.2010-05-029.

[2]袁文杰,杜聪,李益民.一种利用甲酸脱氢酶提高纤维素水解液中甲酸和乙酸抗性的方法:CN202010166455.6[P].

[3]刘文芳,侯本象,侯延慧,等.中空纤维膜固定化甲酸脱氢酶催化CO₂合成甲酸[J].催化学报, 2012.DOI:CNKI:SUN:CHUA.0.2012-04-024.

[4]倪晗朦,胡孟凯,张恒维,等.半理性设计提高甲酸脱氢酶(Cb FDH)活力及热稳定性[J].食品与生物技术学报, 2023, 42(10):1-8.DOI:10.12441/spyswjs.20220322002.