综述：碳酸酐酶的功能分析：水合与水解活性的比较研究方法

《Biocatalysis and Agricultural Biotechnology》：Functional analysis of carbonic anhydrases: comparative methods for hydration and hydrolysis activity

　　

Justinas Babinskas | Tautvydas Kojis | Ieva Gaub? | Lina Baranauskiene | Inga Matijo?yt?

立陶宛维尔纽斯大学生物技术研究所应用生物催化部门生命科学中心

摘要

碳酸酐酶（CAs，EC 4.2.1.1）是一类金属酶，能够催化二氧化碳的可逆水合反应，在某些情况下还可以催化酯类、磷酸盐和硫酸盐的水解反应。由于其高催化效率，这些酶有望成为用于捕获、转化和利用二氧化碳（CO₂）的生物催化剂，从而推动可持续生物技术的发展。尽管已经对碳酸酐酶的结构及其医学应用进行了大量研究，但目前仍缺乏对不同碳酸酐酶活性评估方法的全面比较。本文系统地介绍并批判性地评估了多种碳酸酐酶活性分析方法，包括基于水合和水解的反应测定技术，如压力法、重量法、质子谱法、电位法、分光光度法、同位素交换法以及基于气体的检测技术。每种方法都根据其原理、灵敏度、设备要求、适用范围以及适用于高通量筛选的能力进行了评价。特别关注了影响测量准确性、重复性以及新型或工程改造的碳酸酐酶（包括来自极端环境微生物的变体）研究的方法学挑战。通过整合现有技术并阐明其优缺点，本文为选择和优化碳酸酐酶测定方法提供了实用框架，从而有助于发现新的功能特性，并促进碳酸酐酶在工业中的应用，推动二氧化碳的增值利用以及生物催化和农业生物技术领域的可持续发展。

部分摘录

引言

全球变暖的加速在很大程度上是由工业活动、发电和交通运输所导致的二氧化碳（CO₂）排放增加所引起的。一种有前景的缓解策略是将二氧化碳作为原料用于生产高附加值化学品和燃料。目前正探索多种催化技术来实现这一转化，包括生物催化、电催化和光催化等。

碳酸酐酶的功能分析方法

碳酸酐酶能够催化二氧化碳的可逆水合反应。由于这类酶普遍存在于所有生物体内，因此它们在结构、催化活性和分布方面存在差异（见表1）。如前所述，自然界中存在八种不同的碳酸酐酶类型（α、β、γ、δ、ζ、η、θ 和 ι）（Jensen 等，2019）。动物体内仅存在 α-CA 类型，该类型也存在于植物、藻类和原生动物中，而细菌和真菌体内则没有这种酶。

本文总结了评估碳酸酐酶活性的主要方法，从传统的压力法和重量法到先进的分析技术，如同位素交换和气相傅里叶变换红外光谱法（gas-FTIR spectroscopy）。虽然大多数方法主要关注二氧化碳的水合反应，但有些方法也能检测水解反应，每种方法在灵敏度、仪器要求以及与不同类型碳酸酐酶的兼容性方面具有各自的优缺点。

CRediT 作者贡献声明

Ieva Gaub?: 负责撰写、审稿和编辑；进行实验研究。Tautvydas Kojis: 负责撰写、审稿和编辑。Inga Matijosyte: 负责撰写、审稿和编辑；指导项目实施、获取资金支持及概念构思。Lina Baranauskiene: 负责撰写、审稿和编辑；进行实验研究。Justinas Babinskas: 负责撰写、审稿和编辑；起草初稿；数据整理；进行实验研究及概念构思。

Del Prete 等人，2015年。

? 作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益和个人关系：Inga Matijosyte 表示她获得了立陶宛研究委员会的财政支持。如果有其他作者，他们也声明没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。