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万印华团队提出了具有普适性的生物催化膜制备新技术

发表日期:2018-04-13 14:52文章编辑:国初科技浏览次数: 标签:    

      据膜科学与工程微信公众平台2018年4月7日讯 生物催化膜是将生物酶固定化在膜面/内,从而集成了酶催化和膜分离功能,实现酶重复使用并降低产物抑制,且易于连续生产,在生物炼制、食品加工、在线检测、毒素去除和药物中间体合成等领域有着极大的应用潜力。生物酶与分离膜的结合方式包括物理吸附、包埋、化学键合和共价交联等。然而,不同生物酶的物化性质(例如结构、亲水性、荷电性、敏感性等)不同,即使是同一种酶,其酶促反应也不同,因此很难根据已有的研究结果推断出某种生物酶与分离膜最适合的结合方式,目前已有的酶固定化策略也无法实现在同一界面下比较不同的酶膜结合方式。
  中科院过程工程研究所生化工程国家重点实验室万印华研究员团队受贻贝化学启发,建立了基于聚多巴胺涂层的生物催化膜制备平台,并提供了一种在相同界面下评测酶固定化机制对生物酶性能影响的方法,该研究结果近期发表在Langmuir, 2018, 34, 2585-2594。
  没错,又是贻贝。贻贝蛋白在水环境中的超强粘附性能已经给予不同领域科学家无数灵感。贝壳类动物分泌的蛋白质可以有效的粘结在物体的湿表面,起主要作用的是蛋白质中的L-多巴和赖氨酸,多巴胺具有类似结构和功能。多巴胺亦是一种神经传导物质,用来帮助细胞传送脉冲的化学物质。这种脑内分泌物和人的情欲、感觉有关,它传递兴奋及开心的信息。这一次,它主导了生物酶与分离膜的结合,简单来说,充当了酶与膜的 “媒婆”。

 

万印华团队提出了具有普适性的生物催化膜制备新技术


  研究者们首先在不同材质的超滤或纳滤膜面涂覆聚多巴胺层,其表面富含多种活性基团,如儿茶酚、醌以及氨基,可用于接枝聚乙烯亚胺、戊二醛和十二硫醇,再利用这三种连接臂通过静电吸附、共价键合和疏水吸附将酶固定在膜表面。为了使这种方法普适化,选取五种常用的生物酶(漆酶、葡萄糖氧化酶、脂肪酶、胃蛋白酶和葡聚糖酶)进行评测。
  通过对不同固定化机制下酶载量、活力和动力学参数的研究,对比了五种酶在不同固定化机制下的性能。此外,研究者们还对五种酶进行了分子模拟,从蛋白质结构的角度探究各种结合方式对酶性能的影响,发现固定化机制的选择本质上由不同酶的活性中心暴露情况及其周围官能团的性质所决定。

 

(A)不同酶表面荷电情况(红色:负电荷;绿色:正电荷);(B)可能的共价键合位点(红点:赖氨酸)和(C)表面亲疏水性(紫色:疏水区域;蓝色:亲水区域)

(A)不同酶表面荷电情况(红色:负电荷;绿色:正电荷);(B)可能的共价键合位点(红点:赖氨酸)和(C)表面亲疏水性(紫色:疏水区域;蓝色:亲水区域)


  这项工作提出了一种具有普适性的生物催化膜制备新技术,并建立了一个评价酶固定化机制对固定化酶性能影响的平台。由于多巴胺可以沉积在各种膜材料上以进一步接枝不同种类的配体,且膜载体的荷电性、亲水性以及孔径分布可以通过聚多巴胺涂层及接枝配体所调控,因此该平台能够根据需求筛选固定化机制、功能配体和间隔臂种类。而且,它还可用于构建不同类型的酶膜反应器,实现酶的重复使用,原位分离底物和产物,同时强化界面反应。
  该研究得到国家自然科学基金青年项目(No. 21506229)和中科院百人计划支持。

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