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Bioinspired Carbonic Anhydrase Mimics with Zr–OH Sites and Size-Tunable Nanopockets for Efficient Bidirectional Catalysis of CO 2 Hydration

化学 碳酸酐酶 催化作用 配体(生物化学) 活动站点 水解 碳酸酐酶Ⅱ 齿合度 纳米技术 协同催化 酶催化 组合化学 碳酸盐 立体化学 机制(生物学) 水解酶 蛋白质工程 催化效率 仿生合成
作者
Wenjie Xu,Chao He,Qian Jiang Zhu,Shuang Li,Hao Wu,Yi Wang,Mao Wang,Shudong Sun,Chong Cheng,Changsheng Zhao
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:147 (43): 39708-39720 被引量:4
标识
DOI:10.1021/jacs.5c13405
摘要

Carbonic anhydrase (CA)-mimetic enzymes display promising potential in CO 2 -related catalytic applications, whereas currently designed CA mimics are limited to mimicking the active site and nanopockets. Here, we report the de novo design of bioinspired Zr–OH sites and size-tunable nanopockets via Zr-organic framework structures for the efficient catalysis of CO 2 hydration and HCO 3 – dehydration. Competitive coordination modulation enhances Zr–OH site density and accessibility. The high connectivity of the ligand increases the sensitivity of the Zr-organic framework to ligand defects, while its inherently large size provides near-mesoporous-scale nanopockets. This design enables exceptional 4-nitrophenyl acetate hydrolysis performance ( V max = 3.86 μM s –1 and TON = 29.92 × 10 –3 s –1 ), superior to the state-of-the-art CA mimics. Meanwhile, we systematically elucidate the catalytic mechanism of Zr–OH and show that it interacts with CO 2 to form bidentate carbonate intermediates─similar to the catalytic mechanism of natural CA. Furthermore, the Zr-organic framework can also catalyze the dehydration of bicarbonate, which is consistent with the bidirectional character of natural CA. This work provides fundamental insights into the design of atomic sites and the regulation of nanopockets in enzyme mimics, as well as a promising strategy for preparing high-performance CA mimics for CO 2 -related applications.
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