基于纳米芳烃加氧酶的精细化学品绿色合成及其生物信息学调控

有机精细化学品的生物合成符合可持续发展战略，获取高效且新颖的酶资源成为酶催化工业化应用的瓶颈。本项目利用非培养技术获取新颖的芳烃加氧酶，将生物信息学引入催化过程，采用纳米技术制备固定化酶，构建以氮、氧杂环化合物为底物的绿色催化体系，主要内容包括：(1) 非培养耦合纯培养技术获取芳烃加氧酶，采用纳米技术制备纳米酶催化剂；(2) 选取氮、氧杂环化合物为模型底物构建绿色催化体系，利用过程调控等方法确定催化过程的主要性能指标并明确催化机理；(3) 利用反向虚拟筛选获得靶蛋白的结构信息，结合定向进化及理性设计改造获得的芳烃加氧酶，为绿色催化体系提供高效的酶催化剂。.本项目将生物信息学运用到生物催化剂制备环节中，为以氮、氧杂环为底物的精细化学品绿色合成提供崭新的思路，体现了纳米技术、酶工程与精细化学品合成相交叉的研究特色，符合绿色化学-白色技术-低碳经济的科技与产业发展战略，具有重要的理论和应用价值。

利用生物催化与生物转化技术合成有机精细化学品，符合绿色化学、低碳经济的发展战略。本项目围绕芳烃加氧酶的筛选与定向改造、纳米酶的制备，以及绿色催化体系的构建与应用等相关研究开展了一系列的工作，具体包括：(1) 利用纯培养技术筛选得到多种高效的芳烃降解菌，并对其进行全基因组测序，为芳烃代谢酶的获取提供了丰富的信息；(2) 结合生物信息学和分子生物学技术对芳烃代谢酶进行定向改造，证明间位开环产物水解酶的底物选择性由lid结构域决定，并证实非活性位点氨基酸残基Met148可以调控间位开环产物水解酶的催化效率；(3) 利用芽孢表面展示技术和纳米技术对芳烃代谢酶进行固定化，并引入计算模拟技术指导纳米酶的构建，研究表明固定化酶的稳定性和再生性得到了显著的提高，而纳米固定化技术存在一定的局限，碳纳米管可能会堵塞蛋白质分子的底物通道，抑制酶的活性；(4) 建立了多种生物催化体系对氮氧硫杂环芳烃化合物等进行生物转化，实现了吲哚的定向生物转化，合成了具有高附加值的靛蓝类色素，并利用Illumina高通量测序技术对活性污泥催化合成靛蓝体系中微生物群落的结构、动态变化以及功能进行了解析。除此之外，我们还利用高通量测序技术揭示了我国钢铁行业焦化废水处理污泥体系中的微生物群落的结构特征；探索了单壁碳纳米管对苯酚废水生物处理系统的影响，为纳米材料生态风险评估提供了一定的数据支撑；利用真菌/细菌等多种微生物合成纳米金催化剂，并实现硝基酚类化合物以及偶氮染料等芳烃污染物的高效去除。通过本立项研究，成功构建了多种纳米酶催化体系和芳烃化合物生物催化体系，为芳烃污染物的高效处理以及精细化学品的绿色合成提供了新的研究思路，并对纳米生物技术的发展提供了重要的参考信息。