新型中空纳米纤维对多酶体系的空间定位组装与应用研究

Spatially positional assembly of multienzymes that perform multi-step biotransformations within supporting materials is one of the most challenging issues for successful reconstruction of structure and function of biological cells. Currently, the positional assembly of multienzymes was almost exclusively based on microspheres or microcapsules, which have limitations in some significant applications owning to the usually complicated and nonbiofriendly preparation process, low loading capacity and low efficiency. To solve this problem, we will develop novel electospinning process to prepared three kinds of hollow nanofibers with single wall, multiwalls, and multichannels, with which a multienzymatic system involving formate dehydrogenase, formaldehyde dehydrogenase, lactate dehydrogenase and coenzymes NADH will be positionally assembled within specific space of the hollow nanofibers. With this multienzymatic system, CO2 can be converted to formaldehyde via enzyme catalyzed cascade reactions, and the coenzyme will be in-situ regenerated. Compared with particle-supported multienzyme system, novel hollow nanofibers supported positional assembly of multienzyme system has distinguished advantages of facial preparation process, high loading capacity and high activity recovery. Systematic investigations on relationship between structure and performance of the hollow nanofiber-based multienzyme system will be carried out, and the fundamental principle governing the impact of positional assembly strategy on multienzyme synergy effects will be explored. We expect that based on results from the current project, a technology platform for high efficiency positional assembly of multienzymes will be establish to benefit the future development of a broad range of research areas, i.e., biocatalysis, pharmaceutical therapy, and drug release.

通过仿生的手段将催化多步复杂生物催化反应的多酶体系空间定位组装到载体材料的特定位置上，是实现生物细胞结构和功能重构的关键和难点。目前多酶体系定位组装技术都是基于颗粒形态的微球或多腔室微囊，普遍存在制备过程复杂、酶装载率和活性低的问题。本项目发展新型静电纺丝技术，制备新颖的单壁、多壁以及多通道三种类型中空纳米纤维，将包括甲酸脱氢酶、甲醛脱氢酶、乳酸脱氢酶和辅酶NAD(H)的多酶体系按照不同的方式定位组装到中空纤维的特定空间内，用于二氧化碳生物转化及辅酶的原位再生。这种基于中空纳米纤维的新型多酶定位组装技术具有制备过程简单、生物友好、酶包埋效率和活性保留高的突出优势。将系统深入地研究中空纳米纤维的结构与酶的活性、稳定性之间的构效关系，探索不同的定位组装方式与多酶协同效率之间的科学规律，在此基础上建立多酶体系高效定位组装的技术平台，服务于生物催化、医学治疗、药物控释等多个前沿研究领域。

通过仿生的手段将催化多步复杂生物催化反应的多酶体系空间定位组装到载体材料的特定位置上，是实现生物细胞结构和功能重构的关键和难点。本项目利用同轴共纺静电纺丝技术制备出掺杂有聚合电解质的中空纳米纤维，结合自组装的原理，实现了多个复杂多酶体系的空间定位组装，取得如下创新性结果：1）利用聚合电解质与带有相反电荷的辅酶以及酶分子之间的相互作用，实现了用于CO2合成的多种酶在中空纳米纤维材料上的定位组装，催化合成甲醇的效率比游离多酶体系提高了将近3倍，为目前国际报道最高水平；2）进一步又构建了光-酶偶联的人工光合作用体系，结合层层自组装的技术原理，依次将用于辅酶再生的电子媒介和光敏剂精确组装到材料的外表面，通过与组装在中空纳米纤维腔室内的多酶体系相偶联，实现了太阳能驱动的高效辅酶再生与二氧化碳合成甲醇多酶催化过程的偶联；3）发现并利用中空纳米纤维具有自发地分布到油/水两相界面上这一特性，将葡萄糖氧化酶和脂肪酶定位组装到中空纳米纤维上，通过级联反应在油水两相界面催化油酸环氧化反应，最高速率较游离体系提高约115倍。 此外，通过在中空纳米纤维膜管的纳米空腔中、管壁的内、外表面，空间定位组装或掺杂其他无机催化剂、染料、功能物质，制备出无机纳米催化剂-酶复合催化剂、多酶纳米纤维试纸，具有生化战剂拦截-降解的防护装备，等。由此，本项目的中空纳米纤维多酶空间定位组装技术已经发展成为一项可服务于分析检测、环境保护、生化防护等领域的平台技术。. 在本项目资助下，共发表期刊论文23篇，其中SCI收录21篇，多篇论文发表在ACS Nano、ACS Catalysis、Small、Chem Comm、 J Material Chem A等本领域的顶级期刊上，研究工作受到同行的广泛关注，取得成果远远超出本项目的预期研究目标。项目负责人也于2017年受邀担任生物化工领域的重要期刊Biochem Eng J的编委。