面向甾体化合物生物转化过程强化的功能微球载体的理性设计与制备

The biotransformation of steroids is an important part in the field of bio-catalysis and biotransformation. As a result of the poor water solubility of the steroids, the development of steroid industry is now facing with the bottlenecks in mass transfer, which resulted in the low yield of product. Therefore the key to the problems is the design and implementation of a bio-catalyst with efficiency in mass and oxygen transfer. In this study, the solute exclusion method was applied in preparing a microsphere core with controllable multi-pores to encapsulate the mycelia, aiming to intensify the biotransformation process. Besides, the technique of PEGylation was adopted to coat the core with cross-linked film, in order to enrich the substrate and product with high solubility, and improve the microenvironment of the mycelia through eliminating the substrate/product inhibition. The hydroxylation of DHEA was chosen as a model reaction system to investigate the catalytic activities of embedded mycelia. Based on the data, the structure-activity relationship between the structure of carrier and biotransformation performance was established, the process and mechanism of steroid biotransformation was comprehended concisely. This study was supposed to have some certain scientific value for steroid biotransformation, and supply as a source of reference for similar reaction system.

甾体化合物的生物转化是生物催化与生物转化领域的重要组成部分。但是该行业的发展面临着甾体化合物水溶性差以及由此带来的传质受限的瓶颈。高效传质-供氧的生物催化体系的设计和实现是进一步提高其转化效率的关键。本研究利用溶质排出造孔技术制备具有可控孔隙的包埋内核，强化后续甾体生物转化过程中的传质及供氧；利用聚乙二醇修饰技术在内核外包覆具有底物促溶和富集效果的交联网膜，促进底物及产物的溶解与集中分布，改善菌体所处的微环境，消除底物/产物抑制。同时，以去氢表雄酮的生物羟化为模式反应体系，考察包埋菌体的生物转化行为。在此基础上，建立合理的载体结构与生物转化性能之间的构效关系，深入了解甾体化合物生物转化的过程和机理。本研究对甾体化合物生物转化领域具有一定的科学价值，也为同类型的其他反应体系提供方法借鉴。

甾体化合物的生物催化与转化，是甾体化学合成中的新型选择，在有效减轻纯化学法的消耗和污染同时，也为现代医药制剂合成所需重要中间体的有效生产打开了广阔的前景。由于甾体化合物的低溶解性与毒性，甾体化合物的生物转化仍存在菌株转化能力差和转化效率低等瓶颈。新型转化体系的建立能有效改变底物和产物分子的传递速率，从而提高甾体的转化效率。其中，细胞固定化技术在微生物催化与转化领域中发挥着重要的作用。本研究以亚麻刺盘孢（Colletotrichum lini ST-1）生物转化去氢表雄酮（DHEA）制备三羟基雄甾烯酮（7α,15α-OH-DHEA）为模式反应体系，尝试采用聚乙二醇溶出和修饰的方法制备功能性的包埋材料，利用功能性复合材料进行菌丝体的固载包埋，强化甾体生物转化过程中的传质，提高甾体转化效率和稳定性。. 研究中采用复合诱变筛选的方法得到具有高效转化能力的菌株，并通过基本培养条件的改变以及外源助剂的添加，得到了固定化所需的菌体形态，进而评价和表征了羟丙基环糊精和植物油等外源助溶剂的加入对DHEA转化和菌体形态的影响，初步分析了外源助溶剂促进DHEA转化的原因与菌体细胞透性相关。在此基础上，选定海藻酸钠包埋法作为菌体固化的方法，优化了固定化条件以及致孔剂PEG的种类和数量，发现2%PEG 400的加入有利于DHEA转化效率的提升。进一步采用PEG对海藻酸钠进行表面修饰，考察经不同分子量以及不同链型氨基聚乙二醇表面修饰的固定化C. lini ST-1在转化DHEA过程的效果。与多臂氨基聚乙二醇相比，分子量为2000 Da的直链型聚乙二醇的修饰更有利于DHEA的转化和三羟基雄甾烯酮的制备，产物得率最高为63.1%，可重复使用5个批次。项目中的固定化方法在3-氰基吡啶转化制备烟酸的体系中也有良好的表现。