分享一篇发表在Nature Chemical Biology上的文章，文章题目是“Carbon-monoxide-driven bioethanol production operates through a tungsten-dependent catalyst”，通讯作者是来自德国马克斯普朗克海洋微生物研究所的Tristan Wagner研究员和他们组的博士后Olivier N. Lemaire。Tristan Wagner研究员主要的研究方向是产甲烷微生物的代谢通路。

Clostridium autoethanogenum是一种能够将合成气（CO/CO2/H2）转化为乙醇的细菌，目前已经在工业上得到了十分广泛的应用。在完整的代谢途径中，C. autoethanogenum首先吸收CO并将其氧化为CO2，随后CO2经过一系列转化并与另一分子CO合成乙酰辅酶A，水解产生乙酸盐后再经过两步还原，经乙醛被还原为乙醇。但是该过程有部分机制尚未明确，尤其是从乙酸盐还原产生乙醛的步骤，其还原电势远低于铁氧还蛋白的电势，导致铁氧还蛋白直接还原乙酸盐的步骤是热力学十分不利的，作者因此想要研究该过程具体如何进行。

前人的一些工作证实，铁氧还蛋白氧化还原酶（aldehyde:ferredoxin oxidoreductase，AFOR）可能在该过程中具有重要的作用，因此作者将研究重心放在了来自C. autoethanogenum的AFOR（CaAFOR）中。作者首先从CO作为唯一碳源的C. autoethanogenum中纯化了CaAFOR，并使用X射线晶体衍射解析了其结构。结构显示，CaAFOR 是一种含钨的单体酶，具有钨蝶呤辅因子和 [4Fe–4S] 簇，两者之间距离很短，有利于电子传递。同时体外实验发现纯化后的CaAFOR在分离状态下无活性，只有将CaAFOR与铁氧还蛋白和还原剂等共孵育后才具有还原乙酸盐的活性，AlphaFold2预测铁氧还蛋白能够与CaAFOR发生相互作用，暗示了铁氧还蛋白可能是AFOR还原乙酸盐过程中的关键因子。

为了验证 CaAFOR 在生理条件下是否真的能催化乙酸还原，作者构建了一个多酶耦合系统，包括CODH/ACS用于氧化CO，提供还原态铁氧还蛋白；CaAFOR催化乙酸还原为乙醛；ADH将乙醛还原为乙醇，防止产物积累。实验结果显示，在CO存在下，该系统能有效生成乙醇，CaAFOR的乙酸还原速率高达 9.20 s⁻¹，远高于此前报道的同源酶，证实了其在乙醇合成中的核心地位。此外，作者还发现CaAFOR在酸性pH下活性更高，这与细菌在乙酸积累时启动乙醇合成的生理背景一致，也解释了为何在体内该反应在热力学上可行。

总之，作者通过结构和生化实验证实了具有钨辅因子的CaAFOR是C. autoethanogenum乙醇合成途径中的关键酶，通过CO氧化驱动的代谢耦合克服了热力学障碍，为生物转化制乙醇提供了坚实的分子基础。

本文作者：ZBY

责任编辑：LYC

DOI：10.1038/s41589-025-02055-3

原文链接：https://doi.org/10.1038/s41589-025-02055-3