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          萬印華團隊提出了具有普適性的生物催化膜制備新技術

          發表日期:2018-04-13 14:52文章編輯:國初科技瀏覽次數: 標簽:    

                據膜科學與工程微信公眾平臺2018年4月7日訊 生物催化膜是將生物酶固定化在膜面/內,從而集成了酶催化和膜分離功能,實現酶重復使用并降低產物抑制,且易于連續生產,在生物煉制、食品加工、在線檢測、毒素去除和藥物中間體合成等領域有著極大的應用潛力。生物酶與分離膜的結合方式包括物理吸附、包埋、化學鍵合和共價交聯等。然而,不同生物酶的物化性質(例如結構、親水性、荷電性、敏感性等)不同,即使是同一種酶,其酶促反應也不同,因此很難根據已有的研究結果推斷出某種生物酶與分離膜最適合的結合方式,目前已有的酶固定化策略也無法實現在同一界面下比較不同的酶膜結合方式。
            中科院過程工程研究所生化工程國家重點實驗室萬印華研究員團隊受貽貝化學啟發,建立了基于聚多巴胺涂層的生物催化膜制備平臺,并提供了一種在相同界面下評測酶固定化機制對生物酶性能影響的方法,該研究結果近期發表在Langmuir, 2018, 34, 2585-2594。
            沒錯,又是貽貝。貽貝蛋白在水環境中的超強粘附性能已經給予不同領域科學家無數靈感。貝殼類動物分泌的蛋白質可以有效的粘結在物體的濕表面,起主要作用的是蛋白質中的L-多巴和賴氨酸,多巴胺具有類似結構和功能。多巴胺亦是一種神經傳導物質,用來幫助細胞傳送脈沖的化學物質。這種腦內分泌物和人的情欲、感覺有關,它傳遞興奮及開心的信息。這一次,它主導了生物酶與分離膜的結合,簡單來說,充當了酶與膜的 “媒婆”。

           

          萬印華團隊提出了具有普適性的生物催化膜制備新技術


            研究者們首先在不同材質的超濾或納濾膜面涂覆聚多巴胺層,其表面富含多種活性基團,如兒茶酚、醌以及氨基,可用于接枝聚乙烯亞胺、戊二醛和十二硫醇,再利用這三種連接臂通過靜電吸附、共價鍵合和疏水吸附將酶固定在膜表面。為了使這種方法普適化,選取五種常用的生物酶(漆酶、葡萄糖氧化酶、脂肪酶、胃蛋白酶和葡聚糖酶)進行評測。
            通過對不同固定化機制下酶載量、活力和動力學參數的研究,對比了五種酶在不同固定化機制下的性能。此外,研究者們還對五種酶進行了分子模擬,從蛋白質結構的角度探究各種結合方式對酶性能的影響,發現固定化機制的選擇本質上由不同酶的活性中心暴露情況及其周圍官能團的性質所決定。

           

          (A)不同酶表面荷電情況(紅色:負電荷;綠色:正電荷);(B)可能的共價鍵合位點(紅點:賴氨酸)和(C)表面親疏水性(紫色:疏水區域;藍色:親水區域)

          (A)不同酶表面荷電情況(紅色:負電荷;綠色:正電荷);(B)可能的共價鍵合位點(紅點:賴氨酸)和(C)表面親疏水性(紫色:疏水區域;藍色:親水區域)


            這項工作提出了一種具有普適性的生物催化膜制備新技術,并建立了一個評價酶固定化機制對固定化酶性能影響的平臺。由于多巴胺可以沉積在各種膜材料上以進一步接枝不同種類的配體,且膜載體的荷電性、親水性以及孔徑分布可以通過聚多巴胺涂層及接枝配體所調控,因此該平臺能夠根據需求篩選固定化機制、功能配體和間隔臂種類。而且,它還可用于構建不同類型的酶膜反應器,實現酶的重復使用,原位分離底物和產物,同時強化界面反應。
            該研究得到國家自然科學基金青年項目(No. 21506229)和中科院百人計劃支持。

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