仿生构建纳微结构多酶反应器及催化特性研究

模拟细胞的纳微环境和生物活性，发展多酶耦合催化体系是生物催化领域极具挑战性和前瞻性的发展方向。多酶微反应器的构建使酶在细胞外环境的活性和稳定性得以提高，也使得多酶催化的工业应用成为可能。本研究采用仿生学思路和方法，基于多尺度设计原则，提出一种新颖的多酶反应器设计思路：在纳米尺度上，以纳米脂质体囊泡为模板，采用自组装和仿生硅化结合制备纳米囊作为隔室进行单酶固定化；在微米尺度上，将含不同酶的纳米囊作为单位构件通过层层组装制成含数千纳米囊的多隔室微囊，构建纳微结构多酶反应器；将仿生硅化与层层组装结合，进一步提高反应器的操作稳定性。通过考察反应器纳微环境、反应条件等对多酶系统催化特性的影响，建立多酶反应器制备方法-纳微环境-酶催化特性间的关系，实现多酶体系的系统集成、匹配和高效化。本研究具有重要的理论意义和一定的实际意义，必将为多尺度酶催化反应器的理性设计及多酶体系的应用提供理论基础和技术支持。

将脂质体囊泡与仿生硅化技术相结合，模拟细胞纳微环境，实现以脂质体为模板仿生制备氧化硅固定葡萄糖氧化酶(GOD)，建立性能稳定的固定化酶。扫描电镜分析显示，固定化GOD为球形纳米粒子，粒径分布在200 nm左右，在优化反应条件下GOD回收率达到71.8%。由于载体的空间限制作用及其提供的较稳定微环境，固定化GOD表现出良好的热稳定性和pH稳定性，其对变性剂耐受性和操作稳定性等也得到明显提高。将层层自组装与仿生矿化技术相结合，由聚苯乙烯磺酸钠(PSS)、聚二甲基二烯丙基氯化铵(PDADMAC)和仿生二氧化硅成功制备(PSS/PDADMAC)2-SiO2 杂化微囊。采用扫描电镜、红外光谱和热重对微囊的形貌和性质进行了表征。以该微囊为载体固定化GOD。结果表明，固定化GOD的酶活回收率达72.85%，热稳定性、pH稳定性、操作稳定性得到了提高。将GOD与过氧化氢酶（CAT）共包埋于(PSS/PDADMAC)2-SiO2微囊，构建共固定化双酶系统。将该双酶系统用于去除低聚异麦芽糖中的葡萄糖，确定其最适反应条件为：当温度为40 oC，pH4.0，底物浓度为300 mg/ml，GOD酶活为600 U，GOD:CAT酶活比为1:4时，葡萄糖的去除率可达75.21%。重复使用6次后，葡萄糖的去除率仍可达68.85%。将层层自组装技术、仿生矿化和仿生粘合相结合，由PSS、PDADMAC、仿生二氧化硅和去甲肾上腺素(NE)成功制备(PSS/PDADMAC)2-SiO2-pNE微囊。采用扫描电子显微镜和红外光谱对微囊的形貌和化学结构进行了表征。将GOD与CAT分别固定于该微囊的不同区域，完成分隔式固定化双酶系统的构建。以此分隔式固定化双酶系统去除低聚异麦芽糖中的葡萄糖，确定了其最适反应条件。当温度为40 oC，pH 4.0，底物浓度为200 mg/ml，GOD用量为800 U，GOD:CAT为1:5时，葡萄糖的去除率可达80.73%。重复使用6次后，葡萄糖的去除率仍可达70.22%。