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技术生物所在单宁酶非水相生物催化研究方面取

发表时间: 2021-09-13

  中科院合肥物质科学研究院技术生物所郑之明研究员及其科研团队围绕如何提高酶蛋白在非水相生物催化过程中的活性问题,开展了深入细致研究,将非水相酶催化与生物印迹技术结合起来,实现了非水相体系中单宁酶的超激活,提升了单宁酶的催化性能,完成了单宁酶非水相催化没食子酸丙酯的系列研究。此项研究工作得到中国科学院知识创新项目、国家高技术研究发展计划等项目的支持。目前已发表相关研究论文6篇。

  非水相生物催化是指酶在非水介质中进行的催化作用,与水溶液中酶催化相比,非水介质中的酶催化能显著提高非极性底物或产物的溶解度、完成在水溶液中无法进行的合成反应、减少产物对酶的反馈抑制作用以及提高手性化合物不对称反应的对映体选择性。例如,有机介质中的酶催化反应可以获得酯类、肽类、手性醇等多种有机化合物。因此,开展非水相酶催化研究具有重要的理论意义和应用前景。

  博士生聂光军在郑老师指导下,以工业上广泛应用的黑曲霉(Aspergillus niger)为单宁酶酶源,以所得单宁酶为研究对象,根据酶在水相构象可调、在非水相构象相对刚性的原理,运用生物印迹技术,实现了非水相体系中单宁酶的超激活。

  课题组综合应用酶蛋白印迹技术、抗冻保护技术和固定化技术,显著提高单宁酶有机相中催化酯转换性能。研究结果显示,pH调节、底物印迹和界面激活能显著提高单宁酶活性。其酯转换催化性能较对照提高了123倍,固定化印迹酶表观活力提高了近一倍,组合使用Triton X-100、甘露糖和Mg2+降低了因冻干造成的酶活损失。

  通过单宁酶印迹技术和反应体系优化,经分批催化及产物偶联反应,底物转化率达到75%,高于现有国内外的相关报道。而半连续催化,最高理论底物转化率达到90%,为实现没食子酸丙酯绿色、高效制备和工业化应用奠定了基础。

  此外,为探索印迹酶提高催化反应效率的机理,科研团队开展了酶促反应热、动力学研究。在40-60℃内,一步法酯转换ΔG和ΔHd均低于单宁酶水解、酯化两步反应自由能叠加,说明一步酯转换效率优于两步反应。40℃时,印迹酶Km为0.054 mM,低于文献报道值,半衰期延长至1710 h,明显高于已有报道。这表明印迹技术提高了单宁酶底物亲和力和稳定性,提升了催化性能。

  文章评审人认为研究生物印迹超激活单宁酶的可行性,分析单宁酶印迹过程关键影响因子及作用机理,为有机相中生物印迹方法的建立提供了参考依据。



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