分子动力学视角下的脲酶在水库条件下的稳定性研究：对可持续生物胶结技术的启示

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Molecular Dynamics Insights into Urease Stability under Reservoir Conditions: Implications for Sustainable Bio-Cementation

尿素酶在极端储层条件下的结构稳定性与催化性能研究通过分子动力学模拟，揭示了尿素酶在高温、高盐和高压力下仍保持结构完整性和活性位点构象稳定性，离子环境对其稳定性的影响及构象变化如何优化底物结合，为MICP技术优化提供理论依据。

　　

Safwat Abdel-Azeim

沙特阿拉伯法赫德国王石油与矿业大学石油工程与地球科学学院，综合石油研究中心（CIPR）

摘要

砂生产是石油和天然气开采中的一个主要挑战，会导致设备损坏、运营效率低下和成本增加。传统的砂控制技术存在环境问题和较高的经济成本。由尿素酶驱动的微生物诱导沉淀（MICP）提供了一种环保的方法，通过催化尿素水解生成CaCO?来稳定未固结的地层。然而，尿素酶在恶劣储层条件下的结构稳定性仍知之甚少。为了解决这个问题，我们进行了大规模的分子动力学模拟，以探究该酶在地下条件下的结构和热力学稳定性。我们的模拟结果显示，在极端储层条件下，尿素酶仍能保持显著的结构完整性，其二级结构和活性位点结构未受影响。值得注意的是，这些恶劣条件增强了构象稳定性，并促进了有利于底物结合的动力学过程。具体而言，在储层条件下，活性位点的瓣片更频繁地呈现完全打开的构象，从而有利于尿素的最佳接触，这是催化效率的关键决定因素。此外，模拟盐水中的Ca2?和Cl?离子通过增强的静电相互作用稳定了蛋白质表面，而催化用的Ni2?配位位点在无其他二价阳离子（如Ca2?、Mg2?）干扰的情况下仍保持结构完整。对截断的活性位点模型进行的密度泛函理论计算进一步证实了Ni2?相对于其他二价阳离子具有更强的结合偏好。这些发现揭示了尿素酶在高盐度环境中的分子基础，为优化MICP工艺提供了重要见解。本研究建立了一个计算框架，用于设计改进的酶或优化协议，从而推进可持续的生物胶结技术，以实现上游石油作业中的可靠砂控制。

引言

石油和天然气生产是全球能源体系的基石，但经常面临与储层稳定性和运营完整性相关的挑战[1]、[2]。石油开采中的一个主要问题是砂或细颗粒的迁移，这会危及井筒稳定性，降低生产效率并增加运营成本[3]、[4]、[5]。当地层的结构完整性不足以承受开采过程中流体流动引起的应力时，就会发生砂生产，导致砂颗粒脱落并进入井筒[6]、[7]、[8]。这种现象可能导致设备侵蚀、生产效率降低，甚至井筒坍塌，带来严重的运营风险[9]、[10]、[11]、[12]。

传统的砂控制方法，如砾石填充[13]、[14]和化学固结[14]、[15]，已被广泛用于缓解这些问题[16]。尽管在某种程度上有效，但这些方法通常成本高昂、对环境有害，并且可能无法提供长期稳定性[14]。因此，人们越来越关注创新的、可持续的解决方案来应对砂生产挑战[9]、[17]。

近年来，生物技术方法，特别是微生物诱导的碳酸盐沉淀（MICP）[18]、[19]、[20]、[21]、[22]、[23]，作为一种有前景的砂固结替代方案而受到关注。MICP利用微生物活性使碳酸钙沉淀，碳酸钙作为一种天然胶结剂，可以在原位将砂颗粒结合在一起，从而增强储层地层的机械强度[24]。与传统方法不同，MICP提供了一种“绿色”解决方案，与地层的自然地球化学性质相兼容，并且可以通过调整尿素浓度和酶活性等参数来定制[24]、[25]、[26]。

MICP[24]、[27]过程的核心是尿素酶，这种酶由多种尿素分解细菌产生[28]。尿素酶是一种依赖Ni2?的酶，它催化尿素水解成氨和二氧化碳，从而提高pH值，触发矿物沉淀[26]。从结构上看，功能性的全酶是由α和β亚基组成的复杂组装体，形成一个αβ三聚体，最终组装成24个多肽链结构[29]、[30]、[31]（图1）。先前的研究表明，模拟一个αβ单元就足以捕捉活性位点的构象动态，同时保持酶的结构完整性和折叠[32]。

总的化学反应可以表示如下：

${\left({\mathrm{NH}}_2\right)}_2{\mathrm{CO}}_{}O\stackrel{\mathrm{Urease}}{?}{\mathrm{2NH}}_3{+\mathrm{CO}}_{}$ 2NH₃ + H₂O → 2[NH₄]⁺ + ^-OHCO₂ + H₂O → H₂CO₃ → HCO₃^- + H⁺或 CO₃^2- + 2H⁺

总体而言，简化后的反应可以表示为： ${\left({\mathrm{NH}}_2\right)}_2{\mathrm{CO}}_{}O\stackrel{\mathrm{Urease}}{?}{\mathrm{2NH}}_3{+\mathrm{CO}}_{}$

尽管尿素酶在油藏砂固结方面显示出很大的潜力，但仍存在一些需要进一步研究的挑战[30]。关键问题包括在整个储层中均匀输送和分布尿素酶或尿素分解细菌，确保生物胶结结构在动态储层条件下的长期稳定性[31]，以及成功将该技术规模化应用于实际生产[36]。尽管具有潜力，但由于环境的极端条件（如高温（通常为60–120°C）、高盐度和高压），MICP在油藏中的应用受到限制[37]、[38]。这些因素可能导致酶变性、构象灵活性丧失、结构稳定性下降，从而降低催化效率[39]、[40]。虽然Baig等人的实验研究[22]、[41]表明在70°C附近尿素酶表现出最佳性能，并且混合盐盐水（CaCl?和MgCl?）可以改善固结效果，但我们对这些条件如何影响酶的结构完整性和动态灵活性仍缺乏详细的分子级理解。

我们通过大规模的全原子分子动力学（MD）模拟来填补这一知识空白，这种模拟提供了仅凭传统实验无法获得的原子级见解。虽然早期的计算工作研究了尿素酶在常温条件下的行为[32]，但在类似储层的恶劣条件下的行为尚未被探索。本研究进行了全面的MD模拟，以评估尿素酶在真实油田条件下的温度、盐度和压力下的稳定性。通过对结构参数（RMSD、回转半径）、灵活性、活性位点完整性和Ni2?配位的详细分析，我们揭示了酶的分子基础。这些发现为设计改进的酶或优化工艺奠定了计算基础，从而促进了基于尿素酶的生物胶结技术在石油工程中的可靠、大规模应用。

计算细节

所有分子动力学（MD）模拟均使用GROMACS 2022.3软件包[42]进行，其中尿素酶采用CHARMM36m力场[43]，水分子采用TIP3P模型[45]，这两种方法在蛋白质模拟中都得到了广泛认可。所有离子均使用CHARMM36m力场进行建模[43]、[44]。对于Ni²⁺离子，评估了两种参数集：一种由Babu等人[46]开发，另一种由Li等人[47]开发。

尿素酶的灵活性和结构多样性

MD模拟的主要目的是研究盐度对尿素酶中底物结合位点的结构灵活性、稳定性和构象动态的影响。这些结构变化与尿素结合亲和力密切相关，进而影响酶的催化活性。一个灵活的肽瓣片通过构象转变来调节底物进入活性位点的过程。

结论

在这项研究中，我们在三种不同的溶液条件下（DI、SW和RW）对杰克豆尿素酶进行了大规模分子动力学模拟，以研究周围环境对酶的结构和热力学稳定性的影响。了解环境因素如何影响酶的稳定性和构象行为对于优化石油和天然气行业的微生物应用至关重要。模拟在较长的时间尺度上进行。

CRediT作者贡献声明

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