酶-化学协同催化体系的设计、构建及其作用机制研究

Compared with the abundant enzyme-catalyzed reaction in the nature, the existing industrial enzyme catalysis process is still very limited. If we could combine the artificial catalytic material with the high-efficiency enzyme to construct a functional device with synergistic effect, and take advantages of chemical and enzymatic catalysts, it will greatly expand the application for both catalysts with significant research significance and value.. This proposal intends to design and construct chemoenzymatic synergistic catalytic system by coupling enzymes with metal-organic framework materials (MOFs) and investigate the mechanism. A novel method for the preparation of enzyme-mesoporous MOFs composite catalysts under room temperature in aqueous phase is proposed. It also aims to study the formation and interaction mechanism of the enzyme-MOFs complexes and clarify the interactions between enzyme, carrier, substrate and reaction medium, to find a new way to enhance the enzyme-catalyzed process. Furthermore, choosing the appropriate mode reactions to realize the construction of enzyme-MOFs synergistic catalytic system, and explore its mechanism. This proposal will provide theoretical basis and application examples for the construction of inorganic-enzyme hybrid catalysts with synergistic effect.

与大自然无时无刻不在进行的丰富的酶催化反应相比，现有的工业酶催化过程仍然十分有限，如能将人工催化材料与高效酶催化体系相偶联，构建具有协同效应的功能器件，整合化学催化和酶催化的优势，将极大拓展催化剂的应用范围，具有重大的研究意义和价值。. 本申请项目拟通过酶与金属有机骨架材料（MOFs）相偶联，设计与构建具有酶-化学协同催化效应的酶-MOFs复合催化剂，并研究相关机理。拟提出在常温水相条件下制备酶-介孔MOFs复合催化剂的新方法，研究酶-MOFs复合物的形成和作用机理，明确酶、载体、底物、反应介质之间的相互作用关系，探索酶催化过程强化的新途径，进一步选择合适的模式反应体系，实现酶-MOFs协同催化体系的构建，并揭示其协同效应机制。以上工作将为人工催化材料与酶相偶联构建协同催化体系提供理论依据和应用实例。

将人工无机催化材料与高效酶催化体系相偶联，构建具有协同效应的功能器件，整合化学催化和酶催化的优势，将极大拓展催化剂的应用范围，具有重大的研究意义和价值。本项目通过酶与多种纳米功能材料相偶联，发挥酶-化学协同催化效应，构建了具有高催化性能及稳定性复合催化剂，主要创新性研究结果如下：（1）在常温水相条件下，采用生物矿化法制备了负载有Cyt c的铜基金属-有机框架（CuBDC）复合催化剂。通过酶与相应催化活性的拟酶CuBDC的相互作用并相偶联，相比游离酶的催化效率提高了12倍。同时，金属框架材料的酶稳定化作用可以有效抵抗外界环境对酶活性的影响，复合催化剂相比游离酶的抗酶解能力和热稳定性均有大幅提高；（2）在常温水相条件下，制备了钯（Pd）纳米颗粒介导的酶-沸石咪唑酯骨架（ZIFs）复合催化剂。由于酶与拟酶复合体系的协同效应，该催化剂的催化效率相比游离酶提高了2倍，其具有较强的有机溶剂耐受性；（3）将葡萄糖氧化酶（GOx）和具有过氧化物拟酶活性的金属有机骨架MOF-545（Fe）相结合，构建了模拟多酶体系，可用于葡萄糖的快速检测，并具备极低的检测下限（0.28 uM）和高特异性。在室温下保存7天后，固定化酶保留了92% 的活性，而游离酶仅保留了40％的活性。5个使用循环后，其酶活仍能保持其初始活性的71%。（4）通过原位包埋方法将醇脱氢酶（ADH）封装到金属有机骨架HKUST-1晶体中，以构建协同的化学和生物催化系统。与游离ADH相比，固定化ADH的KM增加了约1.3倍，其Vmax约为游离酶的1/5。由于HKUST-1实现了氧化态辅酶因子的原位再生，ADH@HKUST-1复合材料对苯甲醛收率达28.5％，比单个生物催化的收率高约4.3倍。