组装肽类晶体纳米材料作为碳酸酐酶模拟物促进CO2水合与封存

研究人员针对CO2减排需求，设计出序列可编程的肽类晶体纳米材料（peptoid），通过模拟碳酸酐酶（CA）活性位点微环境，实现了CO2高效水合与矿化封存。该研究利用分子动力学模拟揭示Zn2+结合能与局部微环境对催化性能的调控机制，开发出性能媲美天然牛碳酸酐酶（BCA）的仿生催化剂，为工业级碳捕集技术提供新策略。

　　

全球CO₂排放量在2023年达到创纪录的358亿吨，开发高效碳捕集技术迫在眉睫。自然界中，海洋生物通过碳酸酐酶（Carbonic Anhydrase, CA）将CO₂转化为稳定的碳酸盐矿物，但天然CA存在稳定性差、成本高等缺陷。美国西北太平洋国家实验室（Pacific Northwest National Laboratory）的研究团队受此启发，利用序列可编程的肽类聚合物（peptoid）构建了具有精确活性位点排列的晶体纳米材料，成功模拟了CA的催化功能。

研究团队采用固相亚单体合成法制备19种含不同配体（如cyclen、Nhis等）的肽类序列，通过自组装形成纳米片或纳米管结构。关键实验技术包括：1）紫外-可见光谱和X射线光电子能谱验证Zn²⁺配位；2）原子力显微镜和X射线衍射表征组装形貌；3）4-硝基苯乙酸酯（4-NPA）水解动力学评估催化活性；4）原位¹³C核磁共振追踪CO₂水合路径；5）分子动力学模拟分析活性位点微环境。

结果与讨论

配体化学效应

含Nhis配体的Pep7-Zn²⁺纳米片催化效率最高（k/k_uncat=17），其活性位点模拟了天然CA的三重组氨酸-Zn²⁺四面体结构。分子动力学显示，疏水口袋密度与底物结合自由能（ΔG=-5.2 kcal/mol）显著相关。

形态学调控

纳米管结构因更大的溶剂可及表面积表现出更优性能。Pep12-Zn²⁺纳米管的催化效率（k_cat/K_m=14 M^-1s^-1）接近天然BCA（18 M^-1s^-1），且能在60℃和pH 7.4条件下保持稳定。

CO₂矿化促进

在pH 8.0条件下，Pep12-Zn²⁺使溶液中CO₃^2-浓度提升4倍，加速CaCO₃沉淀生成（7.3 mg vs 空白组1.2 mg）。¹³C弛豫时间测定显示，HCO₃^-与催化剂的结合使分子旋转运动受限（T₂从3.5 s降至0.05 s）。

这项研究开创性地将肽类晶体材料应用于碳捕集领域，其设计的活性位点不仅能促进CO₂水合为HCO₃^-，还可加速HCO₃^-去质子化生成CO₃^2-，突破了传统CA模拟物仅能催化单步反应的局限。该成果为开发耐高温、可回收的工业级碳封存催化剂提供了新范式。