深海细菌α-碳酸酐酶作为可持续二氧化碳矿化的高效生物催化剂

《Enzyme and Microbial Technology》：Deep-sea bacterial alpha carbonic anhydrase as an efficient biocatalyst for sustainable CO 2 mineralization

　　

摘要

海洋通过碳酸氢盐形成捕获二氧化碳，作为天然的碳汇。微生物碳酸酐酶是一种广泛存在的金属酶，催化CO₂的可逆水合反应。α-碳酸酐酶（α-CAs）因其对CO₂可逆水合反应的高催化活性而备受关注，但重组深海CA仍缺乏充分表征。本研究从阿拉伯海海山沉积物中鉴定出一种具有活性的α类碳酸酐酶，来源于Cytobacillus oceanisediminis SBA2。CoACA经克隆并在E. coli Rosetta pLysS可溶组分中表达，使用0.3 mM IPTG在20 °C下诱导16小时。SDS-PAGE确认纯化的CoACA表观分子量约为31.0 kDa。CoACA以二聚体形式存在，通过CO₂水合测定法测定其比活性为2202 ± 75 WAU/mg。该酶在50 bar压力处理1小时后仍保留42%的残余活性，在200 mM盐浓度下活性达140%。通过碳酸钙沉淀确认了纯化CoACA的CO₂矿化潜力。纯化重组CoACA在高压下的稳定性揭示了其与商品化牛碳酸酐酶相比具有耐压特性。该耐压CoACA可进一步用于CO₂捕集和辅助技术领域。

引言

二氧化碳是空气污染的主要贡献者，其大气浓度为422.5 ppm。CO₂浓度升高驱动气候变化，影响地球生物的健康生活[1]。政府间气候变化专门委员会（IPCC）和联合国气候变化大会（COP28）强调控制人为二氧化碳排放以减缓其对全球气候变化的影响。石化、水泥和钢铁等难以脱碳的行业迫切需要找到实现碳中和和净零排放的途径。胺吸收是目前广泛采用的CO₂捕集方法。水溶液胺溶剂在燃煤电厂中已实现商业化应用[2]。由于CO₂分子的稳定性、10–20%的低分压、反应动力学以及溶剂再生所需能量和设备腐蚀等问题，基于液相吸附剂的碳捕集技术缺乏经济性和工业接受度[3]。碳捕集与封存（CCS）技术中的主要限制步骤之一是CO₂的水合反应，该反应在25 °C下的反应常数为6.2 × 10^?3 s^?1[4]。碳酸酐酶可有效加速该反应[5]。研究表明，碳酸酐酶的催化效率优于单乙醇胺等溶剂，且所需能量更少[6]。

碳酸酐酶（E.C 4.2.1.1）是广泛认知的一类金属酶，存在于细菌、藻类、植物和人类等不同的生命形式中[7]。CA将二氧化碳可逆水合为碳酸氢盐和质子，从而参与酸碱平衡[8]。CA具有高催化效率，转换率为10⁴–10⁶ s^?1[9]。通过趋同进化，已鉴定出八个遗传上不同的碳酸酐酶家族（α、β、γ、δ、ζ、η、θ和ι），它们具有不同的活性位点残基结构排列和所需金属离子[10,11]。α类碳酸酐酶已在人类中进行了深入研究[12]，在少数细菌来源中也进行了研究[13,14]。它们对CO₂水解具有高亲和力，并对广泛底物具有酯酶活性[15]。与β-CAs相比，α-CAs由于具有更大的催化位点而表现出更高的CO₂水合活性[16]。值得注意的是，α-CAs在CO₂吸附剂、烟气污染物及其衍生物的存在下被证明是稳定的[17]。由于其催化效率，α-CAs为探索压力和盐耐生物催化提供了可靠的模型。极端生态位中的酶具有常规酶所缺乏的独特结构和功能特性[18]。利用此类酶可扩展高效稳健应用的工具库。

海洋是活跃的CO₂捕集场所，每年吸收2–3吉吨CO₂，同时也是最丰富的生物分子来源[19]。碳捕集通过碳酸盐岩的形成得以促进。微生物的代谢潜力包括胞外酶的产生，对碳酸盐形成有重要贡献[20]。已有研究报道了来自温泉、南极地区和红海卤水池的海洋CA，并研究了其在CO₂捕集过程中的潜力[[21], [22], [23]]。本研究首次探索了来自深海细菌Cytobacillus oceanisediminis SBA2的一种具有活性的α类CA。研究了该酶在富含盐分环境中以及存在CO₂液体吸收剂（如碳酸钾和海水）条件下的工作能力。

章节摘要

样本采集

沉积物样本于阿拉伯海海岭（坐标：10°45.686′ N；73°35.548′ E）深度1750米处采集，采样船为Sagar Nidhi研究船（SN183航次）。使用Zobell海洋琼脂通过系列稀释技术分离细菌菌株。纯化培养物保存在印度金奈国家海洋技术研究所微生物库中。

胞外CA活性筛选

使用α-萘酚乙酸酯作为底物进行平板筛选。将细菌菌株划线接种于

碳酸酐酶产生菌的筛选与鉴定

来自独特生态位（包括海洋生态系统）中在高温下具有高pH稳定性范围和盐耐受特性的碳酸酐酶已被分离出来[14,22,36]。需要一种能够耐受烟气污染物（SOx和NOx）以及吸收温度和高盐浓度等工艺条件的高度稳定酶[10,17]。在极端温度、压力和盐条件下存活的深海微生物[37]是关键参与者

结论

本研究探索了基于酶的碳捕集技术及其对盐分和压力系统的适应性。来自Cytobacillus oceanisediminis SBA2的纯化α-碳酸酐酶在测试条件下表现出显著的CO₂水合活性，表明其在CO₂捕集和生物矿化方面具有稳健性。研究了CoACA在50 bar压力下的稳定性，进一步研究CoACA耐压行为背后的结构特征将有助于工程设计

CRediT作者贡献声明

Nishanthika Thenmozhi Kulasekaran：撰写——初稿，方法论，调查，形式化分析，数据整理，概念化。Jeya Marimuthu：撰写——审阅与编辑，数据整理，概念化。Dharani Gopal：撰写——审阅与编辑，资源，项目管理。Srinivasan Shanmugham Venkatachalam：撰写——审阅与编辑，监督，数据整理。

伦理审批

本研究未涉及动物实验。

利益冲突声明

作者声明无利益冲突。

致谢

作者感谢印度地球科学部提供的财政支持，以及CSIR-CLRI院长对本研究活动开展的协助。CSIR-CLRI通信编号：2183。本研究作为Anna University（印度金奈）注册博士候选人的PhD项目的一部分开展。

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