底物特异性的生物催化与酶设计改造

随着生物产业的发展,生物酶催化发挥着越来越重要的作用。然而,部分酶在应用过程中仍然存在诸多问题,影响了生物催化的进一步发展。本文以酶的底物特异性为切入点,回顾了酶的专一性、高效性和环保性;介绍了酶在药物合成和天然产物改性领域的应用以及所遇到的问题;综述了酶的底物特异性改造过程中各种方法的应用,包括化学修饰、非理性和理性设计。化学修饰作为一种直观的修饰方法,通过化学反应对酶分子进行改造;非理性设计是利用易错PCR和DNA Shuffling等手段获得底物特异性提高的突变体;理性设计是基于序列和结构信息对酶分子进行改造。本文从重塑活性口袋提高酶的底物特异性和重塑活性口袋改变酶促反应类型两个方面出发,详述了理性设计改变酶的底物特异性的方法,为酶的特异性改造提供借鉴。     

D-氨基酸氧化酶的分子改造及应用研究进展

D-氨基酸氧化酶是一类含有黄素腺嘌呤二核苷酸的氧化还原酶,能够催化D-氨基酸氧化脱氢,生成相应的α-酮酸、过氧化氢和氨。该类酶在自然界中分布广泛,主要来源于真核生物和少数原核生物。作为一种经典的生物催化剂,D-氨基酸氧化酶具有反应条件温和、底物谱广泛、对映体选择性好等特点,在合成医药、农药和精细化学品等方面具有重要的应用价值。本文综述了D-氨基酸氧化酶的基本蛋白结构特征及其催化机制,重点介绍了D-氨基酸氧化酶底物特异性和热稳定性分子改造的策略和代表性成果以及该类酶在生物催化中的应用,例如制备7-氨基头孢烷酸、手性氨基酸、胺类化合物和α-酮酸。最后探讨了D-氨基酸氧化酶目前在生物催化应用过程中存在的问题。后续的研究可围绕新酶的挖掘与改造展开工作。基于对映体选择性和底物识别的分子机制,理性设计酶的催化性能,并以挖掘或改造获得的D-氨基酸氧化酶作为新酶元件,用于构建功能化学品生物合成新途径。     

酶的寡聚结构与催化稳定性

酶的结构与催化稳定性是生物催化与转化过程中的研究热点之一。与单体酶相比,寡聚酶在进化过程中亚基之间的聚合使其在结构和功能上具有一定的优越性,然而寡聚酶独特的四级结构导致其在制备和应用中存在诸多问题,如制备效率低、催化位点利用率低、催化稳定性差等,其中亚基解离导致的催化稳定性问题在很大程度上限制了其工业化应用。目前,介质工程、多亚基固定化、亚基界面工程和融合蛋白策略被应用于寡聚酶的催化稳定性改造,而寡聚酶至单体酶的改造策略则试图从根本上解决寡聚酶的制备和应用问题,具有较好的应用前景。本文介绍了酶的寡聚结构演替所产生的新功能,总结了寡聚酶在制备和应用中存在的问题,重点阐述了提高寡聚酶制备效率和催化稳定性的策略。     

纳米结构酶催化剂研究进展

将酶负载于载体上可以提高工业应用中酶的稳定性并便于重复使用。纳米材料的发展为固定化酶提供了新的契机,利用纳米材料固定化酶有望进一步提高酶在工业环境中的催化性能、拓展固定化酶的应用范围。本文主要关注近年来在纳米结构酶催化剂方面的研究进展,重点介绍本研究组以无机晶体、金属有机骨架材料、石墨烯和功能高分子等为载体进行酶固定化以及酶催化过程多尺度分子模拟方法的研究进展,讨论了纳米结构酶催化剂的发展前景。     

酶稳定性的研究进展

酶稳定性的研究已经取得了令人瞩目的成就。尤其在化学修饰方面：交联酶结晶技术、多聚体共价结合以及表面修饰等成果显著。综述了用化学修饰法和添加剂使酶稳定的最新研究进展。     

利用分子机器的组装与分解构建pH敏感性谷胱甘肽过氧化物人工酶

谷胱甘肽过氧化物酶（GPx）是体内一种重要的抗氧化酶,对GPx的人工模拟能够拓展其体外应用,利用生命体内天然pH差异实现响应的pH敏感性GPx人工酶更是有着广泛的潜在应用。然而目前制备的pH敏感性GPx人工酶普遍存在活性较低的缺点,本文设计合成了同时含有高活性GPx催化中心和两个伯胺基团的乙胺单碲醚分子,酶促反应动力学的分析结果表明其二级反应速率常数高达10¹ L·mol^-1·min^-1数量级。pH=6时,乙胺单碲醚分子能够与葫芦[6]脲分子（CB[6]）组装形成分子机器,此时活性中心被包埋于CB[6]的疏水空腔之中,仅能展现出（0.04±0.02）μmol·min^-1·μmol^-1的活性;pH=7时,分子机器部分分解,能够展现出高达（0.35±0.06）μmol·min^-1·μmol^-1的活性。因此,通过调控体系pH在6和7之间变化,借助分子机器的组装及部分分解调控人工酶活性的关闭与开启,从而构建了高活性的pH敏感性GPx人工酶。     

分子印迹技术及其在现代生物化工领域应用研究进展

分子印迹技术是当前发展高选择性材料的主要方法之一,近年来由于其卓越的分子识别性能和潜在的应用价值引起了广泛关注,迅速成为热门研究课题.本文对分子印迹技术及其研究进展、识别原理和制备方法,印迹聚合物在现代生物化工领域的应用研究现状、存在问题及其发展前景进行了评述.     

利用分子机器的组装与分解构建pH敏感性谷胱甘肽过氧化物人工酶

谷胱甘肽过氧化物酶（GPx）是体内一种重要的抗氧化酶,对GPx的人工模拟能够拓展其体外应用,利用生命体内天然pH差异实现响应的pH敏感性GPx人工酶更是有着广泛的潜在应用。然而目前制备的pH敏感性GPx人工酶普遍存在活性较低的缺点,本文设计合成了同时含有高活性GPx催化中心和两个伯胺基团的乙胺单碲醚分子,酶促反应动力学的分析结果表明其二级反应速率常数高达10¹ L·mol^-1·min^-1数量级。pH=6时,乙胺单碲醚分子能够与葫芦[6]脲分子（CB[6]）组装形成分子机器,此时活性中心被包埋于CB[6]的疏水空腔之中,仅能展现出（0.04±0.02）μmol·min^-1·μmol^-1的活性;pH=7时,分子机器部分分解,能够展现出高达（0.35±0.06）μmol·min^-1·μmol^-1的活性。因此,通过调控体系pH在6和7之间变化,借助分子机器的组装及部分分解调控人工酶活性的关闭与开启,从而构建了高活性的pH敏感性GPx人工酶。     

木聚糖酶热稳定性分子改造的研究进展

木聚糖酶广泛应用于食品加工、生物制药、酒的澄清及纸浆漂白等行业。热稳定性对于木聚糖酶在工业领域中的应用起着至关重要的作用。根据催化结构域的氨基酸组成不同,木聚糖酶主要分为F/10和G/11两大家族。本文主要就这两大家族木聚糖酶热稳定性分子改造的技术和方法作一综述,为进一步提高木聚糖酶的热稳定性提供参考。     

纳米酶催化剂制备方法研究进展

酶催化具有化学、区位和立体选择性,这使得其成为绿色合成化学品的理想催化剂。然而,天然酶常因其在工业催化条件下的活性和稳定性较低而难以使用。纳米技术为构建高效酶催化剂提供了新的可能性。通过简便、高效、低成本的方法制备出具有高催化活性和高稳定性的纳米酶催化剂,同时提高纳米酶催化剂的可操作性和可回收重复使用特性是其中的关键问题。介绍了纳米酶催化剂的研究现状和制备方法,重点介绍了采用共沉淀方法制备酶-无机晶体杂化纳米催化剂、酶-金属有机骨架材料杂化纳米催化剂,以及制备具有温度和磁响应特性的纳米酶催化剂,并对纳米酶催化剂在酶催化合成医药化学品方面的应用前景进行了探讨。     

Improvement of chymotrypsin enzyme stability as single enzyme nanoparticles

Individual enzyme molecules were coated with a nanometer-scale polymer network in order to increase their stability, providing longer lifetime of enzymes for biochemical processes. This polymer nanolayer is thin and porous enough [Kim, J., Grate, J.W., 2003. Single-enzyme nanoparticles armored by a nanometer-scale organic/inorganic network. Nano Letters 3, 1219-1222] to allow practically unhindered diffusion of the substrate from the solution to the active site of the enzyme, and unhindered transfer of the product from the active site to the solution. During the three-step preparation of the individual enzyme nanoparticles, the chymotrypsin enzyme investigated can lose 30-50% of its original activity. The main cause for a decrease in the enzyme's activity is the UV-light irradiation used during the polymerization step of the pretreatment. The UV-light can destroy the tertiary structure of the enzyme, and this can lead to reduced activity. The enzyme modification and solubilization steps of the treatment methodology do not essentially lower enzyme activity. The morphology and size of enzyme nanoparticles prepared was examined by transmission electron microscopy and demonstrated in this paper. The activity's change of the free and the covered enzyme was investigated at different temperatures, shaking frequencies and pH values. It has been proved that the preparation of enzyme nanoparticles can essentially stabilize the enzyme. Its activity changes much slower than that of native enzyme. The pretreated enzyme can have relatively high residual activity under extreme pH values and temperature, as well. The essence of the results presented is that stability of the enzyme can be increased significantly by covering individual enzymes with a thin, porous polymer layer.     

“绿色”溶剂离子液的研究进展

近年来，离子液由于其独特的优点, 在生物催化及化学合成领域越来越受到青睐。由于缺乏蒸气压，离子液作为绿色溶剂有很大潜能。此外，离子液不像极性有机溶剂那样会使酶失活，因而简化了类似含有糖类这样极性底物的反应。在离子液中，生物催化反应表现出较高的选择性、较快的反应速率和较高的酶稳定性。但这些溶剂还存在着离子液的纯化、控制水活性和pH、高粘度以及产品分离等问题。     

液体洗涤剂配方中复合酶的稳定性研究

简单介绍了衣用液体洗涤剂中3种酶（蛋白酶、脂肪酶和纤维素酶）以及这3种酶的复合物的稳定性体系。通过数据处理得出了酶存在的稳定性条件,通过Terg-o-tometer法研究了酶的性能,得出了酶稳定存在时衣用液体洗涤剂的优化配方。     

B-factor Guided Proline Substitutions in Chromobacterium violaceum Amine Transaminase: Evaluation of the Proline Rule as a Method for Enzyme Stabilization

Biocatalysis is attracting interest in the chemical industry as a sustainable alternative in large-scale chemical transformations. However, low operational stability of naturally evolved enzymes is a challenge and major efforts are required to engineer protein stability, usually by directed evolution. The development of methods for protein stabilization based on rational design is of great interest, as it would minimize the efforts needed to generate stable enzymes. Here we present a rational design strategy based on proline substitutions in flexible areas of the protein identified by analyzing B-factors. Several proline substitutions in the amine transaminase from Chromobacterium violaceum were shown to have a positive impact on stability with increased half-life at 60 °C by a factor of 2.7 (variant K69P/D218P/K304P/R432P) as well as increased melting temperature by 8.3 °C (variant K167P). Finally, the presented method utilizing B-factor analysis in combination with the proline rule was deemed successful at increasing the stability of this enzyme.     

改性水泥专用丁苯胶乳的稳定性研究

以十二烷基苯磺酸钠为乳化剂,用过硫酸钾引发体系,制备了改性水泥专用丁苯胶乳,考察了乳化剂浓度、进料方式和搅拌形式对胶乳稳定性的影响.