甲酸脱氢酶（Formate Dehydrogenase, FDH），是一类能够催化甲酸盐氧化成二氧化碳，同时将辅酶NAD(P)⁺还原成NAD(P)H的反应，是氧化还原生物合成中辅酶再生体系的一种重要酶。它也可以催化甲酸盐氧化成CO₂的可逆反应，主要应用于CO₂固定技术^[1]。反应式如图1所示。

图1. 甲酸脱氢酶的反应式

甲酸脱氢酶广泛存在于细菌、古细菌、酵母、真菌、植物和脊椎动物中^[2]。FDHs根据其依赖的辅因子不同，可分为金属离子依赖型FDH和NAD(P)⁺依赖型FDH。金属离子依赖型的活性中心存在钨、铁、钼等金属元素；NAD(P)⁺依赖型不含金属离子，是目前最主要的一类FDH^[3]。

FDH的结构是由2个相同亚基组成的二聚体，每个亚基都包含辅酶结合结构域和底物结合结构域，每个结构域都由交替的α螺旋和β折叠组成。NAD⁺依赖型FDH的辅酶结合结构域中存在保守的GxGxxGx_17-18D(E)序列（x为任何残基），属于Rossmann 折叠（如图2）^{[3] [4]}。

图2. NAD⁺依赖型FDH 结构^[3]

甲酸脱氢酶的优点是来源广泛、催化反应产生的副产物仅为CO₂，CO₂易被排出反应体系，不会抑制酶的活性。其次，它的最适pH范围较广，扩大了其操作范围，反应条件适用于产业化生产^[3]。甲酸脱氢酶主要是作为辅酶再生体系的“再生剂”。辅酶再生体系对于氧化还原酶的生物催化过程至关重要，且被广泛应用于生产手性氨基酸、手性羧酸、手性醇、手性胺等多类手性化合物。应用实例如下：

实例1、制备抗癫痫药左乙拉西坦中间体^[5]

实例2、制备除草剂L-草铵膦^[6]

实例3、L-氨基酸生物催化级联反应一锅法制备D-氨基酸^[7]

目前，NAD⁺依赖型FDH催化机制研究较为成熟。当甲酸盐进入FDH的活性口袋时，精氨酸(Arg)284位的侧链与带负电荷的COOH^–相互作用，形成盐桥，并与天冬酰胺(Asn)146位的侧链形成氢键。甲酸盐的氢离子转移到NAD⁺的烟酰胺环C4 位原子上，同时NAD⁺接受氢还原为NADH，并释放CO₂。NADH释放后，酶回到开放态，结合下一分子NAD⁺，准备进入新一轮循环。（如图3）^{[3] [8]}。

图3. NAD⁺依赖型FDH 的催化机制^[3]

尚科生物从2007年来就专注于生物酶和生物催化技术以及合成生物学技术的开发与应用研究。尚科生物现有的甲酸脱氢酶酶库（代号：ES-FDH）中包含5种不同来源的甲酸脱氢酶，可以为客户提供酶筛选、酶促反应工艺优化、酶改造和生产供应服务。

参考文献

[1] 陆峰,黄玉红,林燕娜,等.CO2还原用甲酸脱氢酶分子改造的研究进展[J].生物技术通报,2025,41(3):14-24.

[2] Saadet Alpdagtasa and Barıs¸ Binayb. NADP+ Dependent Formate Dehydrogenase: A Review [J]. Biocatalysis and Biotransformation, 2021, 39(4):260-268.

[3] 程峰,魏澜,王成娇,等.甲酸脱氢酶及其在手性生物制造中的应用[J].生物工程学报,2022,38(2):632-649.

[4] Maier A, Mguni L M, Ngo A C R, et al.Formate Dehydrogenase: Recent Developments for NADH and NADPH Recycling in Biocatalysis[J].ChemCatChem, 2024, 16(21).

[5] 张贝宁.基于半理性改造提高甲酸脱氢酶热稳定性及其应用[D].江南大学,2025.

[6] Cao CH, Gong H, Dong Y, et al. Enzyme cascade for biocatalytic deracemization of D, L-phosphinothricin [J]. Biotechnol, 2021, 325: 372-379.

[7] Zhang DP, Jing XR, Zhang WL, et al. Highly selective synthesis of D-amino acids from readily available L-amino acids by a one-pot biocatalytic stereoinversion cascade [J]. RSC Advances, 2019, 9:29927-29935.

[8] Jiafu Shi,  Yanjun Jiang,  Zhongyi Jiang,   Xueyan Wang,  Xiaoli Wang,   Shaohua Zhang,  Pingping Hana  and  Chen Yang. Enzymatic conversion of carbon dioxide [J]. Chem. Soc. Rev., 2015,44, 5981-6000.