载体微环境调控促进酶催化反应

【作者】 吕永琴；

【机构】 北京化工大学,北京市生物加工过程重点实验室,生命科学与技术学院；

【摘要】 酶是契合绿色化学的"催化剂",已广泛用于精细化学品和药物等的合成,具有选择性佳、条件温和、绿色等优点。工业酶催化剂的挑战是稳定性差,易失活,难以重复使用。构建载体对酶进行固定化可以解决以上问题,但是传统固定化酶载体存在传质限制,酶的负载量低,稳定性提升有限,表观活性低等问题。针对此,本文利用载体工程,通过调控载体的孔结构与和识别位点,模拟细胞内微环境,提高酶的活性和稳定性,同时强化底物传递。基于细胞对酶的限域效应,采用水凝胶模板扩孔在微孔载体中构建了介孔结构,制备了具有多级孔结构的微介孔载体。通过三聚氰胺和水杨酸之间的氢键驱动形成水凝胶模板,升高温度破坏氢键可以脱除模板,产生介孔结构,介孔孔径为10-38 nm,比表面积高达1430 m²/g。通过改变水凝胶前体的浓度可以调控介孔孔径。利用该新型载体固载葡萄糖氧化酶,催化效率比游离酶提高了7.7倍,同时利用介孔结构的限域效应提高了酶的温度和pH稳定性,实现了葡萄糖氧化酶的重复使用。为强化反应过程的底物传递,进一步利用超分子自组装可控构建具有智能响应性能的孔结构,该柔性孔道对CO₂气体底物具有选择性,从而强化CO₂底物传递。同时在载体中引入双键,通过水相原位聚合反应,实现甲酸脱氢酶的限域固定化。基于该新型载体建立了CO₂定向自选择酶催化新方法,最终产物甲酸产量比游离酶提高13.2倍。进一步通过在载体上设计分子印迹选择性识别位点来模拟分子伴侣功能,显著提高了酶的活性和稳定性,酶活比游离酶提高3.5倍,适用pH范围从4.5拓宽到3～8。同时,通过引入外场调控,实现了固定化酶载体的再生利用。更多还原