有机相酶催化剂的设计和制备

To increase the appearent activity of enzymes in organic media, this proposal proposes a new kind of nanoscaled enzyme catalysts which encapsulate enzymes in polymer nanoparticles that are readily soluble in organic solvents. The nanobiocatalysts are anticipated to display high activities in homogenouse reaction systems, whereas free enzymes which are insoluble in organic solvents usually have much lower activities in heterogeneous reaction mixtures. Two methods including the in situ polymerization from enzyme surface and polymer-enzyme crosslinking will be employed to prepare the nanostructured enzyme catalysts using lipase and laccase, resepectively, as examples. The effects of polymer composition, encapsulation method, and other key parameters in the preparation on the solubility, activity and stability of the enzyme catalyst will be examined in order to achieve the synthesis of organic solvent-soluble nanobiocatalysts with high activities and stabilities in a controllable manner. The enzymatic modification of an anti-tumor drug, doxorubicin will be utilized as a model system to study the catalytic behavior of the lipase nanobiocatalyst in organic media. With the investigation of important aspects in the process including the nanostructure and amount of the catalyst, the nature of organic solvent, and the water content in organic solvent, the pricinples and methods of enzymatic processes in organic media using the above-described organic solvent-soluble nanobiocatalysts will be elaborated.

本项目旨在研究增强酶在有机相中催化活性的新途径。拟研究新型纳米酶催化剂的制备技术，将酶分子包埋于具有较好有机溶剂溶解性的聚合物纳米颗粒中，实现纳米酶催化剂在有机相的有效溶解，从而将有机相酶催化由非均相反应转化为均相反应，提高酶催化剂的有机相活性并保持良好的稳定性。以脂肪酶和漆酶为研究体系，采用酶分子表面原位聚合、聚合物端基活化-酶分子交联两种方法，选用多种聚合物材料对酶分子进行包埋，研究聚合物化学组成、包埋反应方式和条件等对纳米酶催化剂的有机溶剂溶解性、有机相活性和稳定性的影响。通过对制备过程的研究，可控制备出能够在有机溶剂中溶解并且具有较高有机相活性和稳定性的纳米酶催化剂。以脂肪酶纳米催化剂催化合成新型抗肿瘤药物分子阿霉素衍生物的过程为例，考察催化剂纳米结构、催化剂用量、有机溶剂体系、水活度等对催化过程的影响机制，提出基于纳米酶催化剂的均相催化过程强化的新途径。

为解决天然酶在有机相中催化活性不高的问题，本项目设计制备了有机相催化活性高、稳定性好并且可重复使用的酶-聚合物结合物纳米催化剂，通过反相乳液实现了其可控制备。该方法所制备的脂肪酶-聚合物结合物应用于有机相酶催化，可高效制备多种药物分子和药物中间体。在完成以上项目研究计划的基础上，项目负责人提出了采用无机晶体包埋酶分子提高其稳定性的新思路，开展了酶-无机晶体复合催化剂的制备和应用研究。主要研究成果如下：.1）提出了适用于有机相酶催化的酶-聚合物（Pluronic）纳米结合物及其制备方法，多种酶体系证实该方法具有很好普适性，酶-Pluronic纳米结合物的有机相表观催化活性比天然酶提高几十至几百倍。开发了原位聚合-底物印迹的脂肪酶-聚丙烯酰胺纳米凝胶，有效提高了其在有机相中的表观酶活；.2）实现了反相乳液中可控制备该酶-Pluronic纳米结合物，多种酶体系证实了该方法具有很好普适性，所制备的酶-Pluronic纳米结合物具有显著高于天然酶的有机相表观酶活；.3）采用脂肪酶-Pluronic纳米结合物作为催化剂，实现了阿霉素衍生物—抗肿瘤药物戊柔比星等多种药物分子和药物中间体的酶促合成，在戊柔比星制备过程中脂肪酶-Pluronic纳米结合物催化反应的初始速率为天然酶的11倍；.4）提出了酶（多酶）-无机晶体复合催化剂及其一步共沉淀制备方法，证实了无机晶体包埋酶分子可以很好提高酶的稳定性，并获得较高的催化活性。.项目负责人以通讯作者发表SCI论文21篇（总影响因子>110），其中，项目负责人本人应邀为ACS Catalysis, Catalysis Science & Technology, WIERs: Nanomedicine and Nanobiotechnology撰写了纳米酶催化剂的综述文章。项目负责人2015年入选美国《麻省理工技术评论》（MIT Technology Review）在全世界范围内评选的35位35岁以下的青年创新人物（TR35）。