氧化亚铜纳米线介观晶体构建高效固定化酶的关键技术及机理研究

Design and development of ideal support materials that have ability to controllably achieve multi-scale, biomimetic micro/nano structure is the key to realize environment-friendly,renewable,high efficient, low-cost industrial enzyme applications. We here propose to use a novel three-dimensional porous superstructure, Cu2O Nanowire Mesocrystal, as support material to construct high efficient immobilized laccase. This project aims to understand the effects of pore size and structure of mesocrystal, and orientation attachment of laccase along one-dimensional Cu2O nanowire on the enzyme activity;elucidate the underlying mechanism of promoted activity of immobilized laccase by interfacial metal ions and light induced charge transfer; and finally evaluate the efficacy of immobilized laccase constructed by nanowire mesocrystal on the degradation of 2,4-chlorophenol in wastewater. The useful information obtained from this project will gain insight into the key processes and mechanism of constructing high efficient laccase immobilized on unique nanowire mesocrystal and provide great possibility to use this kind of novel superstructure for future enzyme immobilization.

设计和开发理想的、具有多尺度、可调仿生微纳环境的载体材料，从而构建具有高稳定性和高酶活性的高效固定化酶，是实现环境友好、可再生的、高效低能耗的酶工业化生产的关键。本项目拟采用具备多尺度仿生微纳结构的新型氧化亚铜纳米线介观晶体构建高效固定化漆酶；明确其固定化过程中漆酶与介观晶体多孔结构以及漆酶聚集体沿一维纳米线定向排列的关键技术；阐明界面金属离子与漆酶以及光/酶协同作用机理；并评估该固定化酶在实际应用中处理含氯酚废水的效用。本项目以全新纳米线介观晶体杂化固定漆酶为模型展开基础研究，研究结果可为介观晶体这种新型纳米载体材料用于酶的高效固定化提供理论依据，为固定化酶技术的发展提供新的思路和方法。

蛋白与纳米材料复合的杂化结构能够同时兼具生物材料和纳米材料的功能，是当前纳米生物材料的一个重要研究方向。特别是，设计和开发理想的、具有多尺度、可调仿生微纳环境的蛋白酶载体材料，从而构建具有高稳定性和高酶活性的高效纳米生物催化剂，是实现环境友好、可再生的、高效低能耗的蛋白酶工业化生产的关键。本项目着眼于高效蛋白酶-纳米材料仿生微纳结构生物催化剂的构建，从材料制备，性能评估和协同增强机制分析、污水处理应用四个方面展开了研究，取得了一些突破性的研究进展。主要成果如下：1.对原有制备方法进行了改进，实现了产率大幅提高(从30%提高到至70%)，满足工业生产需求。2. 实现了以固定化漆酶为代表的新型蛋白酶-氧化亚铜纳米线介观晶体纳米生物催化剂。该纳米生物催化剂的酶比活力较游离酶提高了10倍，更重要的是，由于其多孔仿生结构极大减少了催化“死角”，其整体催化活性是当前已报蛋白酶-纳米结构杂化材料中最高值。3.阐明了其由其仿生多孔结构和混合Cu+ 和Cu2+双离子激活协同增强作用的高效催化活性的机制。4. 设计并制作了一个微型连续流反应器，实现了氧化亚铜纳米线介观晶体固定化漆酶杂化材料的高效生物催化污水应用。此外，在上述研究的启发下，我们还对医用磁性纳米材料展开了研究，取得了包括高性能热疗剂，多模式磁性诊疗纳米材料，高效低毒的磁共振T1纳米造影剂等成果。这些重要研究成果揭示了蛋白与功能纳米材料之间的协同相互作用机理，阐明了其生物催化和医学应用的关键性能控制因素, 受到了广泛的关注和跟踪研究，也为我们研究蛋白-纳米材料杂化体系及其应用提供了坚实的实验和理论基础。