《酶納米凝膠結構設計與可控聚合的理論和方法》是依託清華大學，由劉錚擔任項目負責人的重點項目。
基本介紹
- 中文名：酶納米凝膠結構設計與可控聚合的理論和方法
- 依託單位：清華大學
- 項目負責人：劉錚
- 項目類別：重點項目
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
酶納米凝膠可提高酶在高溫和有機溶劑中的穩定性，並賦予其豐富的材料可設計性和加工性，有望成為構築生物催化過程的結構模組（Biocatalytic building block）。本項目研究水相原位聚合製備酶納米凝膠的結構設計、可控和規模化製備的原理和方法，著重研究該過程中（1）在酶表面引入單體或者引發劑時，修飾位點選擇、修飾基團可及度調控與活性位點保護；（2）流場中單體圍繞酶形成納米組裝結構的驅動機制與強化途徑；（3）酶表面引發聚合反應的化學調控新機制；（4）流場流動和傳質行為對聚合反應的影響與調控機制。本研究選擇脂肪酶、辣根過氧化物酶和綠色螢光蛋白為樣品酶體系，運用計算流體力學、分子模擬、多維結構表征從分子水平揭示酶納米凝膠形成過程各步驟的微觀機制，並與基因工程、有機化學和化學工程的理論和方法相結合，提出酶納米凝膠結構設計與可控聚合的原理和方法，為納米結構酶製劑的設計和套用提供理論指導和技術支持。
結題摘要
本項目通過研究納米酶催化劑結構設計和可控聚合的理論和方法，發展適於工業生產操作的納米酶催化劑，取得的主要創新性成果如下： 1．建立了一種製備水相原位聚合製備磁性納米酶凝膠顆粒通用性方法。首先將磁性納米顆粒表面修飾上靜電基團和可聚合基團，通過靜電吸附酶分子，再引發聚合形成凝膠網路而將酶包覆在顆粒表面。該方法不需要對酶進行修飾，利用磁場實現酶催化劑操作和復用。 2．建立了一種製備有機相溫敏性納米酶催化劑通用性方法。首先對有機相溫敏性高分子進行端基修飾，然後與酶分子胺基酸基團反應形成結合物。在反應溫度下酶催化劑分散在有機溶劑中，其表觀活性比自由酶提高1-2個數量級；通過降溫沉澱可回收酶催化劑。 3．提出了多種納米酶催化劑結構形成和可控聚合新方法：包括①原位引發水相原子轉移自由基聚合製備結構均一性酶納米凝膠；②包埋法製備機械拉伸型酶凝膠；③自組裝法製備酶-金屬有機骨架材料納米顆粒； ④自組裝法製備空間可控分布雙酶-無機納米顆粒；⑤凍乾法製備底物和PEG印跡酶納米凝膠；⑥二硫鍵法製備人血清白蛋白納米顆粒等。 4．揭示了納米結構強化酶催化的新機制：①通過GMA修飾提高脂肪酶（CRL）活性區域疏水性可增強其表觀活性； ②金屬有機骨架材料可呈現底物親和性；③PEG和底物印跡可提高酶在有機溶劑中的表觀活性；④雙酶空間有序分布可強化中間產物傳遞，提高催化劑總活力；⑤包覆在蛋白質表面的PEG鏈可抑制水分子攻擊，提高蛋白質熱穩定性。 5．建立了螺旋管反應器“一鍋法”連續製備酶納米凝膠反應裝置；研究了同軸毛細管、氣-液-液微通道以及微攪拌器等裝置中流體流動、混合及其強化機制，為其用於連續化製備納米酶催化劑提供了過程工程基礎。 6．提出了採用納米結構酶催化劑合成精細化學品新工藝：包括①採用溫敏性納米酶催化劑合成戊柔比星、苯甘氨酸甲酯； ② 採用底物印跡、底物/PEG共印跡酶納米凝膠合成氯黴素棕櫚酸酯等。與相應化學合成工藝相比，採用納米酶催化劑的縮短了合成路線，提高了轉化率和收率，顯示出其在精細化學品領域的良好前景。 已發表SCI收錄論文25篇（IF＞6論文8篇），邀請綜述3篇，英文專著章節2章；獲中國發明專利授權1項，公開3項；國際學術會議邀請報告5次；舉辦國際學術研討會1屆。入選長江學者1名，北京市高校青年英才計畫1名；培養博士後1名、博士生7名、碩士生2名。
