环糊精介质对微生物催化反应物质转运的影响及其调控

环糊精能够与大多数有机化合物形成包结物，增加其在水相中的溶解度，在生物催化反应中显示出良好的应用前景。一般认为环糊精的作用是"增溶效应"，是反应"载体"，对微生物细胞是相容的或"惰性的"。事实并非如此。环糊精能够影响微生物细胞（尤其是细胞膜）的化学组成及其功能，进而引起有机化合物跨细胞转运在速率和扩散通量上的变化。本课题以细菌（简单节杆菌）和真菌（黑根霉）为实验材料，以甾体化合物的氧化还原反应为模型，研究环糊精及其衍生物介质对微生物催化反应物质（底物/产物）跨细胞转运的影响规律，分别在细胞水平（细胞壁和细胞膜）和分子水平（多糖、脂肪酸和蛋白质）上阐明环糊精与微生物细胞扩散通量变化的关系及其物质基础，从反应动力学角度探索细胞扩散通量变化与催化反应总速率的关联，寻找影响底物/产物转运的关键因素，并试图建立调控方法。研究成果将为微生物催化反应中环糊精类超分子介质系统的构建和应用提供原理和新方法。

环糊精在以完整微生物细胞为催化剂的疏水化合物生物催化中有着多重的复杂机制，除了增溶作用外，环糊精还会与细胞直接作用，通过改变细胞的通透性和底物/产物的转运过程影响生物催化的效率。以甾体化合物这一典型的疏水性有机化合物的生物转化为反应模型，系统研究了环糊精及其衍生物对催化细胞生长特性、菌体形态和酶活性的影响。研究表明，环糊精的结构及添加浓度对菌体生长的影响差异较大，同一环糊精对不同菌体的影响也不相同。羟丙基-β-环糊精使简单节杆菌细胞超显微结构发生明显改变，细胞表面出现褶皱，细胞壁膜变薄，但仍维持较高的完整性；相对甲基-β-环糊精和磺丁基-β-环糊精，羟丙基-β-环糊精在显著增加甾体化合物溶解度的同时对酶活力和稳定性产生的负面效应较低，是一种理想的转化介质。通过脂质体模拟验证了环糊精能够影响微生物细胞对甾体化合物的通透性，并在此基础上通过研究环糊精与简单节杆菌作用过程中细胞形态、细胞表面结构、脂质、脂肪酸及蛋白质的变化来阐明环糊精引起细胞转运特性发生变化的物质基础，进一步分析比较了环糊精对不同微生物细胞转运特性的影响，明确了环糊精在影响微生物物质转运方面的基本规律。并将环糊精对简单节杆菌静息细胞生物转化过程中转化反应与细胞通透性进行关联和调控。结果表明，进入细胞和脂质体的底物量随环糊精浓度的提高而增加，环糊精的添加可促进脂质体对底物的吸收，通过调整环糊精浓度可以控制吸收速率。环糊精作用下细胞总脂含量减少，且总脂损失随环糊精浓度的增大而增大，不饱和和长链脂肪酸含量下降，短链脂肪酸含量增加。菌体脱落蛋白质含量随着环糊精浓度的增加而增加，环糊精作用引起了不同细胞蛋白的上调和下调，其中上调蛋白多为亲水蛋白，下调的膜蛋白则主要集中在疏水性及芳香族氨基酸含量较高的区域，功能主要涉及物质转运。在含有环糊精的甾体生物转化体系中，环糊精对微生物细胞通透性的改变是除了增溶效应外的另一重要影响因素。本课题研究成果也将为微生物转化反应中环糊精类超分子介质系统的构建和应用提供原理和新方法。