印迹交联酶聚体-离子液体-介孔氧化硅杂化催化剂的制备及其在不同介质中的催化性能

The deactivation and instability of enzyme is the key problem in a biocatalytic process for enzyme applications. The studies have showed that changes of enzymatic conformation and environment are key factors for enzymatic deactivation. Stability of enzyme could be improved by the traditional immobilization technology. However, enzymatic conformation and excellent environment can not be simultaneously maintained by the traditional immobilization technology, which results in low efficiency. If active conformation could be “fixed”, and fine environment for enzyme could be supplied by suitable immobilization at the same time, which would have an important significance for overcoming above mentioned problem. Based on this idea, in this study, the active conformation of lipase was activated and fixed by bioimprint cross-linked enzyme aggregates technology (iCLEAs). And then, iCLEAs and ionic liquid (ILs) will be co-encapsulated into biomimetic silica. A new iCLEAs-ILs-silica hybird biocatalyst will be prepared. This biocatalyst not only realizes “fixation” of active conformation of enzymes, but also provides fine ionic liquid environment to improve enzyme activity. In addition, effects of ILs on microenvironment and conformation of immobilization enzymes, as well as relationship between environment, enzyme conformation and catalytic performance will be investigated. The above results will provide the scientific instruction for establishing efficiency immobilization enzymes.

生物催化中酶不稳定、易失活是限制酶应用的主要问题。研究表明，酶活性形态和催化环境变化是导致酶失活的主要因素。传统固定化技术虽能改善酶的稳定性，但难以做到既保持酶活性形态，又能为酶提供良好的催化环境，从而使酶的催化效率降低。因此，如果能设计一种方法将酶的活性形态激活并“固定”下来，同时又能为酶提供良好的催化环境，将对于酶催化效率的提升具有重要意义。本项目拟通过印迹交联酶聚体(iCLEAs)技术将脂肪酶活性形态“诱导固定”，然后将脂肪酶iCLEAs与离子液体(ILs)原位共包埋于介孔仿生氧化硅中，制备出iCLEAs-ILs-氧化硅杂化催化剂，该催化剂既能“固定”酶活性形态，又能利用ILs的独特性能改善固定化酶的催化环境。通过研究ILs对酶所处微环境和分子结构的影响，以及不同介质中杂化催化剂的催化环境、酶分子结构变化和催化性能间相关性，揭示固定化酶催化环境、酶分子结构与催化性能间的相互作用关系。

酶是高效、专一性强的生物催化剂，但在应用过程中，许多酶表现出不稳定、易失活，难以重复使用等问题，极大地限制了酶的应用。固定化技术是改善酶稳定性和催化特性的重要方法。与游离酶相比，固定化酶更稳定，可回收重复使用，降低酶制剂的成本，更适合于工业化应用。但是传统的固定化技术只是将酶分子简单固定在载体表面或内部，难以做到既保持酶分子的活性形态，同时又为酶提供良好的催化环境，从而使酶的催化效率降低。因此，开发新型酶固定化技术对酶的高效利用具有重要意义。本研究基于印迹交联酶聚体技术和仿生硅化技术，分别设计建立了在离子液体微乳液中制备球形印迹脂肪酶交联酶聚体生物催化剂、核壳结构的球形交联酶聚体生物催化剂、仿生硅包埋的酶@MOF复合物催化剂以及深度共溶剂（一种新型离子液体）中制备的脂肪酶-无机杂化纳米生物催化剂的技术方法，提出了为固定化酶穿上“纳米包衣”的策略，揭示纳米包衣对固定化酶起到遮蔽保护作用的机制，发现纳米包衣的存在不仅增强了固定化酶的机械强度，而且起到了调控微环境的作用，改善固定化酶的催化微环境，不仅没有增加对底物的传质阻力，还能显著提高固定化酶热稳定性、酸碱耐受性以及重复使用性。探讨并揭示了深度共熔溶剂和金属离子对固定化脂肪酶微环境和分子结构影响机制，发现金属离子和界面作用能诱导激活脂肪酶的活性结构，深度共溶剂中制备的脂肪酶-无机杂化纳米生物催化剂酶活比水中制备提高了200%。同时深度共熔溶剂中存在的大量氢键能稳定酶的活性构象，增加酶分子中β-折叠的数量，减少α-螺旋数量，增加了脂肪酶的亲水性，使其结构紧凑性降低。而且脂肪酶和深度共熔溶剂之间氢键的形成也能保持其结构的稳定性。该项目的完成为创建高效的酶固定化方法以及提高酶催化性能提供科学的依据和指导。项目执行期间共发表SCI论文20篇，其中JCR一区15篇，IF大于10的5篇，大于5的11篇，入选ESI前1%高被引论文3篇，申请国家发明专利1项。