基于光-酶双功能协同催化构建固定化酶协调稳定性与催化活性的量热学研究

Immobilization of enzyme on a solid carrier can improve its stability and reusability, however, it is difficult to balance the contradiction between the catalytic activity and stability of immobilized enzyme. This project propose a preparation of immobilized enzyme with both high activity and stability based on photo-enzymatic dual function of synergistic catalysis using micro -nano particles of TiO2 as solid carrier, which has perfect photo-catalysis function, adjustable pore size and is suitable for enzyme molecular orientation through metal-doped, using template and surface modification by biological viscous material. The microcalorimetry is used to record the interaction between the enzyme and solid carrier or immolized enzyme and substrate to obtain the. The thermodynamic and kinetic parameter, including Gibbs free energy, enthalpy, entropy, rate constant and activation energy can be obtained based on the analysis of these thermal spectra. Moreover, probe-chemiluminescence and LC-MS technology are used to track the changes of the catalytic intermediates, together with products determination to elucidate the mechanism of photo-enzymatic dual function of synergistic catalysis. The immobilized enzyme will be applied to the degradation of environmental toxicants. The photo-enzymatic dual function of synergistic catalysis will be studied to based on the degradation efficiency and reuse. The structure-activity relationship of immobilized enzyme will be illustrated by relating macroscopic thermodynamic properties with microscopic mechanism. The best targets will be screened accordingly. A synergistic effect of 1+1 > 2 may be found, and this project will provide a new strategy and method to balance the contradiction between the catalytic activity and stability of immobilized enzyme.

将生物酶固定在固相载体上是提高酶的稳定性及重复使用性的重要途径，但引起的稳定性与催化活性之间此消彼长、难以协调的矛盾成为固定化酶设计、制备中的瓶颈。本项目拟通过金属掺杂、引入模板剂及生物黏性物质修饰获得具有光催化效应、孔径可调及适于酶分子定向固定的微纳米TiO2作为固相载体制备光-酶双功能协同催化的兼具高活性和高稳定性的固定化酶；通过原位微量热记录酶与TiO2以及固定化酶与底物的相互作用过程，解析热谱图获取表面Gibbs自由能、结合焓、熵、速率常数及活化能等热、动力学参数，结合探针-化学发光及液质联用分析催化中间体和产物，推测光-酶双功能协同催化机理；将固定化酶用于污染物降解，以降解率、稳定性和重复使用性考察固定化酶性能；关联宏观热力学性质与微观结构解析固定化酶的构效关系，筛选优秀目标物。研究结果有可能产生1+1＞2的协同效应，可为平衡固定化酶稳定性与催化活性的矛盾提供新的思路和方法体系。

本项目通过光催化-酶催化原位协同体系的设计制备，解决固定化酶存在的高催化活性与高稳定性之间“此消彼长”的矛盾，基于纳米TiO2构建适合大规模产业化应用的固定化氯过氧化物酶纳米反应器用于环境污染物降解；将微量热技术引入固定化酶的研究中，结合固定化酶的微观结构解析研究固定化酶的构效关系，推测光-酶双功能协同催化机理，为平衡固定化酶稳定性与催化活性的矛盾提供新的思路和方法体系。.研究工作取得的主要结果如下：.1、设计了多种光-酶协同催化体系，解析了光-酶协同催化的机理. 以锐钛矿相TiO2纳米材料为固相载体，通过聚多巴胺(PDA)、相转变溶菌酶(PTL)等对TiO2的表面进行修饰，采用简单吸附、戊二醛交联以及DNA双螺旋链介导等方式固载氯过氧化物酶(CPO)，构筑了一系列具有1+1>2的光-酶协同催化效应的纳米酶反应器，兼具高活性和高稳定性。原位协同催化主要归因为两个方面：催化中间体•OH浓度增大和光催化剂TiO2的禁带宽度减小。TiO2-CPO复合材料中的TiO2具有双功能：同时充当光催化剂和酶分子固定化的固相载体。光-酶协同酶反应器可在可见光照射下使用。.2、建立了固定化酶构效关系的热动力学参数的评价体系. 首次将微量热技术系统引入固定化酶的研究中，通过等压微量热和等温滴定微量热技术获取了大量热力学和热动力学参数，研究了酶负载过程中酶与固相载体表面的相互作用及负载酶催化反应过程中酶与底物的相互作用，以热动力学参数作为固定化酶构效关系的评价指标，结合固定化酶在染料氧化脱色、抗生素残留及持续性环境污染物的氧化降解性能指标筛选除了性能优异的固定化酶反应器，并反馈指导光-酶协同反应器的设计和构筑。. 本项目的研究结果可为协调和平衡固定化酶的催化活性与稳定性之间“此消彼长”的矛盾提供新的思路和途径；为固定化酶这样的超分子结构体系的研究提供新的平台。