新型多孔金属氧化物对胰蛋白酶的高效亲和固定化与导向性分离研究

This research aims at solving the current special challenges in enzyme immobilization, such as poor selectivity, activity loss of the immobilized enzyme. This novel immobilization method for trypsinase with high immobilized capacity, biological activity, and stability is proposed based on the superparamagnetic Fe3O4@CuO, Fe3O4@NiO core-shell or yolk-shell porous metal oxides, which will be used as high efficient matrixes for trypsinase immobilization by the affinity interactions between Cu2+, Ni2+ ions on the porous shell surface and the His-Tagged residues of trypsinase. By means of the superparamagnetic properties of the novel matrixes, the trypsinase will be rapidly oriented collected from the reaction solutions. This novel enzyeme immobilized protocol will powerfully promote the developments for high efficient recyclable catalysis. The researches will show the relationship between the microstructure, composition of the novel porous metal oxide matrixes and the immobilization capacity, biological activity, stability and recyclable catalysis efficiency of trypsinase, as well as explore the enhancement mechanism of biological activity, stability of the immobilized trypsinase. These results may find potential applications in rapid separation and purification of proteins and cells immobilization.

本项目针对当前酶固定化方法中存在的选择性差，固定化酶易失活等关键难题，利用设计合成的具有核壳或蛋黄-蛋壳结构的Fe3O4@NiO、Fe3O4@CuO超顺磁性新型多孔金属氧化物为载体。以NiO、CuO等多孔金属氧化物表面较为丰富的Ni2+,Cu2+等金属离子与具有His标签的胰蛋白酶的高效亲和作用，构建选择性高，活性、稳定性增强高效亲和胰蛋白酶固定化新方法。结合超顺磁性纳米载体的特点，发展具有导向分离特征的胰蛋白酶快速分离纯化技术。阐述新型多孔金属氧化物载体结构、成分等微观形态与胰蛋白酶的固载含量、活性、稳定性及循环使用效率间的关系。阐明新型多孔金属氧化物对胰蛋白酶稳定性、活性增强的机制，为设计、合成性能更加优越，用途更为广泛的蛋白等生物分子的快速分离纯化技术及细胞活体固定化方法提供启示。

高比表面积的多孔材料在生物分子的固定化方面具有重要的应用前景。本项目以开发高比表面积的纳米结构材料为研究目标，采用水热法、电化学沉积法、离子交换法等不同的合成手段制备了纳米微球、纳米带、多级结构的纳米线、多级结构的纳米棒阵列等不同结构的生物分子的固定化材料。采用扫描电镜、透射电镜、X射线衍射、XPS等分析手段对所合成的材料的结构和性能进行了系统分析，对于各类材料暴露的活性位点和对酶分子的吸附性能进行了深入研究。结果表明高比表面积的纳米结构材料易暴露出更多的活性位点。以此为基础，发展了选择性高，活性、稳定性增强的蛋白酶快速分离纯化的新方法，在生物分子的固定化方面具有重要的应用前景。项目在执行期间取得了阶段性的研究进展：截止目前，共在Small, Journal of Materials Chemistry A, ACS applied Materials & Interfaces等国际核心期刊发表相关SCI收录论文11篇，其中JCR一区论文8篇，申请相关专利6项，授权1项。获安徽省自然科学二等奖1项（排名第四）。研究团队被省教育厅授予“创新之星”团队、被团中央授予“小平科技创新团队”，在人民大会堂授奖。同时以项目为依托，在大学生拔尖创新创业人才培养方面也取得了显著的成绩。