酶纳米凝胶结构设计与可控聚合的理论和方法

酶纳米凝胶可提高酶在高温和有机溶剂中的稳定性，并赋予其丰富的材料可设计性和加工性，有望成为构筑生物催化过程的结构模块（Biocatalytic building block）。本项目研究水相原位聚合制备酶纳米凝胶的结构设计、可控和规模化制备的原理和方法，着重研究该过程中1）在酶表面引入单体或者引发剂时，修饰位点选择、修饰基团可及度调控与活性位点保护；2）流场中单体围绕酶形成纳米组装结构的驱动机制与强化途径；3）酶表面引发聚合反应的化学调控新机制；4）流场流动和传质行为对聚合反应的影响与调控机制。本研究选择脂肪酶、辣根过氧化物酶和绿色荧光蛋白为样品酶体系，运用计算流体力学、分子模拟、多维结构表征从分子水平揭示酶纳米凝胶形成过程各步骤的微观机制，并与基因工程、有机化学和化学工程的理论和方法相结合，提出酶纳米凝胶结构设计与可控聚合的原理和方法，为纳米结构酶制剂的设计和应用提供理论指导和技术支持。

本项目通过研究纳米酶催化剂结构设计和可控聚合的理论和方法，发展适于工业生产操作的纳米酶催化剂，取得的主要创新性成果如下：.1．建立了一种制备水相原位聚合制备磁性纳米酶凝胶颗粒通用性方法。首先将磁性纳米颗粒表面修饰上静电基团和可聚合基团，通过静电吸附酶分子，再引发聚合形成凝胶网络而将酶包覆在颗粒表面。该方法不需要对酶进行修饰，利用磁场实现酶催化剂操作和复用。.2．建立了一种制备有机相温敏性纳米酶催化剂通用性方法。首先对有机相温敏性高分子进行端基修饰，然后与酶分子氨基酸基团反应形成结合物。在反应温度下酶催化剂分散在有机溶剂中，其表观活性比自由酶提高1-2个数量级；通过降温沉淀可回收酶催化剂。.3．提出了多种纳米酶催化剂结构形成和可控聚合新方法：包括①原位引发水相原子转移自由基聚合制备结构均一性酶纳米凝胶；②包埋法制备机械拉伸型酶凝胶；③自组装法制备酶-金属有机骨架材料纳米颗粒； ④自组装法制备空间可控分布双酶-无机纳米颗粒；⑤冻干法制备底物和PEG印迹酶纳米凝胶；⑥二硫键法制备人血清白蛋白纳米颗粒等。.4．揭示了纳米结构强化酶催化的新机制：①通过GMA修饰提高脂肪酶（CRL）活性区域疏水性可增强其表观活性； ②金属有机骨架材料可呈现底物亲和性；③PEG和底物印迹可提高酶在有机溶剂中的表观活性；④双酶空间有序分布可强化中间产物传递，提高催化剂总活力；⑤包覆在蛋白质表面的PEG链可抑制水分子攻击，提高蛋白质热稳定性。.5．建立了螺旋管反应器“一锅法”连续制备酶纳米凝胶反应装置；研究了同轴毛细管、气-液-液微通道以及微搅拌器等装置中流体流动、混合及其强化机制，为其用于连续化制备纳米酶催化剂提供了过程工程基础。.6．提出了采用纳米结构酶催化剂合成精细化学品新工艺：包括①采用温敏性纳米酶催化剂合成戊柔比星、苯甘氨酸甲酯； ② 采用底物印迹、底物/PEG共印迹酶纳米凝胶合成氯霉素棕榈酸酯等。与相应化学合成工艺相比，采用纳米酶催化剂的缩短了合成路线，提高了转化率和收率，显示出其在精细化学品领域的良好前景。..已发表SCI收录论文25篇（IF>6论文8篇），邀请综述3篇，英文专著章节2章；获中国发明专利授权1项，公开3项；国际学术会议邀请报告5次；举办国际学术研讨会1届。入选长江学者1名，北京市高校青年英才计划1名；培养博士后1名、博士生7名、硕士生2名。