综述：仿生碳酸酐酶策略在CO2捕集中的研究进展

这篇综述深入探讨了碳酸酐酶（CA）在生物技术驱动的新型CO2捕集与转化策略中的潜力。文章系统分析了CA酶在工业碳捕集应用中的结构稳定性、关键氨基酸位点及耐苛刻条件机制，重点评述了蛋白质工程改造（如定点突变）和固定化策略对提升催化效率的贡献，并展望了人工智能（AI）优化等未来研究方向，为开发绿色碳捕集技术提供了理论支撑。

　　

Highlights

碳酸酐酶（CAs）因其卓越的结构稳定性和催化活性成为仿生碳捕集技术的研究热点。通过解析CA的三维结构特征并保持序列比对一致性，可为AI辅助的蛋白质工程提供基础。结合功能材料的固定化策略与蛋白质工程技术，有望显著提升CO₂捕集效率并降低规模化应用成本。

Abstract

碳酸酐酶（CA）在加速CO₂捕集与转化的生物技术策略中展现出独特优势。尽管部分CA能天然耐受碳捕集工艺中的极端条件，但长期维持高活性仍是重大挑战。本文详细综述了工业碳捕集相关CA酶的核心结构特征，揭示了维持其苛刻条件下活性的关键氨基酸位点，探讨了通过定点突变增强效能及固定化策略优化的最新进展，并针对CA技术规模化应用的瓶颈提出解决方案，最后展望了AI驱动设计等前沿方向。

核心内容深度解析

结构决定功能
特定CA亚型（如α-CA）的锌离子活性中心与疏水口袋构成高效催化CO₂水合反应的分子机器。研究发现His⁹⁴、Glu¹⁰⁶等保守氨基酸通过质子转移网络维持催化循环，而二硫键和β-折叠含量高的区域赋予极端pH/温度耐受性。

蛋白质工程突破
通过理性设计将嗜热菌CA的Thr¹⁹⁹突变为脯氨酸，使Tm值提升15℃；定向进化获得的变体M103X在60℃下半衰期延长20倍，印证了"刚性增强"理论在CA稳定性改造中的有效性。

固定化技术革新
共价偶联到磁性纳米颗粒的CA@Fe₃O₄复合材料实现96%活性回收率，连续使用15批次后仍保留82%初始活性。新型金属有机框架（MOFs）载体ZIF-8通过仿生矿化固定CA，使操作稳定性提升300%。

规模化挑战应对
膜反应器集成系统将CA催化效率提升至传统胺法的4.7倍，但气体传质限制仍是瓶颈。微流体技术结合CA微胶囊化可显著改善气液接触效率，中试数据显示能耗降低31%。

AI赋能未来
深度学习模型AlphaFold2成功预测了极端环境CA的隐藏稳定化 motifs，而生成对抗网络（GAN）设计的虚拟CA变体中，38%经实验验证具有增强的热稳定性，预示AI将加速理想CA催化剂的开发周期。