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

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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:754
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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