基于多尺度计算模拟的辅酶再生系统共固定化研究

Chiral compounds play an important role in human life, and the cofactor regeneration system is the optimal step for the production of chiral compounds by oxidoreductases. However, developing strategies to improve the cooperativity, catalysis efficiency and stability of cascaded enzymes remains a challenge. Methods for assembling or co-immobilizing of the cascaded enzymes are considered effective ways to solve the above problems. However, these methods often have direct impacts on the overall enzyme orientation and activity, and these processes are hard to be managed. In this study, MOFs were used to construct nanocage for encapsulating enzymes of oxidoreductases and cofactor-regenerating dehydrogenases after the two-enzymes were assembled with the help of cross-linking proteins. To optimization the nanocage, dynamic model of the MOF precursors will be established and the effect patterns of different environmental factors that act on the MOF precursors agglomeration will be investigated combined the multi-scale dynamics simulation, so that theory basis of regulation and control for the morphology of nanocage could be provided. Multi-objective optimization technology will also be used to optimize the synthetic process of enzymes-MOFs and improve the stability and activity of enzymes. In a word, results in this project will provide theoretical and technological support for designing novel and efficient cofactor-regenerating system for chiral compounds production.

手性化合物在人类的生活中扮演着重要的角色，氧化还原酶偶联辅因子再生酶的辅酶再生催化体系被认为是手性化合物制备的最佳路径。然而，如何提高这类级联反应中酶的协同作用、催化效率及抗压能力仍面临着巨大的挑战。将参与级联反应的酶进行组装或共固定被认为是解决上述问题的有效途径，但现有方法往往对酶的构象、活性产生影响，且过程可控度低。针对这一问题，本项目拟融合蛋白交联技术与载体固定化技术，简化酶的共固定化过程：通过引入超强分子粘合剂，实现酶与酶的精准交联，形成“单酶”；在此基础上，以MOFs材料为固定化载体，以仿生矿化为固定化手段，给“单酶”穿上“铠甲”，增强酶的催化性能。并通过多尺度计算模拟，从微观到介观水平上揭示MOF矿化过程，解析构效关系，实现仿生矿化过程的精准预测和控制，最终构建一个高效、“坚固”、可控的酶反应器，加快辅酶的再生、提高反应效率。

多酶催化在工业生产中扮演着重要的角色，在这类多酶催化体系中一个酶的催化产物是另一个酶的底物，酶与相应底物的接触与结合是反应的基础。但一般多酶参与的反应中，酶与酶、酶与底物之间存在较远的底物通道，影响催化效率，且游离酶抗压能力差，不能够重复利用，限制了多酶催化体系的广泛应用。针对上述问题，本课题拟融合蛋白交联技术和固定化技术，实现酶与酶的精准交联和共固定，促进底物传递，增强酶对环境因子的适应能力，提高酶的催化性能。在项目执行期间，成功利用SpyRing分子类粘合剂实现了酶与酶的精准、快速交联，有效缩短了底物通道，促进了辅酶循环。建立了基于金属有机框架材料和蛋白交联技术共固定化双酶的新方法，解析了环境因子对固定化酶形貌及活性的影响，实现了酶-MOFs的可控合成，增强了固定化酶的环境适应能力和可重复利用率，有效提高了固定化多酶催化体系的产物合成能力，具备了一定的实际应用前景。搭建了针对MOFs固定化酶体系的计算机模拟平台，构建了酶与MOFs的作用模型，解析了酶与MOFs的作用机制，为进一步提高酶的固定化效率及性能提供了理论指导。在此基础上拓展了金属有机框架材料在化合物及微生物体系中的应用，为MOFs固定化技术的应用开辟了新的方向。项目执行期间，共发表论文8篇，其中7篇在SCI刊源杂志上发表，另有2篇论文在审。已申请3项国家发明专利，授权2项。项目负责人获评2022年度侯德榜化工科学技术奖青年奖。