Light-driven dinitrogen reduction catalyzed by a CdS:nitrogenase MoFe protein biohybrid

固氮酶 固氮 氨生产 化学 氮气 催化作用 纳米棒 光能 纳米技术 材料科学 生物化学 有机化学 物理 光学
作者
Katherine A. Brown,Derek F. Harris,Molly B. Wilker,Andrew J. Rasmussen,Nimesh Khadka,Hayden Hamby,Stephen M. Keable,Gordana Duković,John W. Peters,Lance C. Seefeldt,Paul W. King
出处
期刊:Science [American Association for the Advancement of Science]
卷期号:352 (6284): 448-450 被引量:835
标识
DOI:10.1126/science.aaf2091
摘要

The splitting of dinitrogen (N2) and reduction to ammonia (NH3) is a kinetically complex and energetically challenging multistep reaction. In the Haber-Bosch process, N2 reduction is accomplished at high temperature and pressure, whereas N2 fixation by the enzyme nitrogenase occurs under ambient conditions using chemical energy from adenosine 5'-triphosphate (ATP) hydrolysis. We show that cadmium sulfide (CdS) nanocrystals can be used to photosensitize the nitrogenase molybdenum-iron (MoFe) protein, where light harvesting replaces ATP hydrolysis to drive the enzymatic reduction of N2 into NH3 The turnover rate was 75 per minute, 63% of the ATP-coupled reaction rate for the nitrogenase complex under optimal conditions. Inhibitors of nitrogenase (i.e., acetylene, carbon monoxide, and dihydrogen) suppressed N2 reduction. The CdS:MoFe protein biohybrids provide a photochemical model for achieving light-driven N2 reduction to NH3.
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