生物化工关键科学问题--分子识别和相互作用调控机制及生物超分子构建

This project focus on the basic scientific principle in self-assemble of multi-enzyme biocatalysis and ligands of chromatographic separation and detection in industrial biotechnology process: the molecular recognition and interaction regulation mechanism between biological molecular and environmental molecular. The research methods include molecular simulations suitable for biological macromolecules, and a variety of experimental design (multi-dimensional NMR and confocal microscopy), as well as the methods combined. The molecular recognition and interaction mechanism of the enzymes and the environment molecular will be investigated, especially the typical biocatalyst enzyme activity, stability and coordination after enzymes self-assembled. Magnetic nanoenzymes and enzyme supramolecular systems which have biological catalyst catalytic specificity and adaptability to environment regulation will be built. Meanwhile, construction of a new mixed mode of supramolecular and molecular recognition mechanism will be carried out to provide the basis methods for related research. This research will publish more than 20 SCI papers, apply for 4-5 patents and hold related conferences.

研究工业生物过程中两个关键技术生物催化剂酶的多酶组装和高效分离与检测技术的功能配基选择中共同基本科学问题：生物分子相互作用和分子识别机制。建立生物分子相互作用和识别的研究方法包括理论计算方法如分子模拟和多种实验方法（多维核磁和共聚焦显微技术等）以及多种方法的相互结合。研究酶与环境分子的相互识别与相互作用机理，特别是典型生物催化剂多酶组装后活性变化与多酶互动协调催化关系，构建高效的可以调控的磁性纳米酶和多酶超分子体系。同时研究生物分子分离和检测中新的基于弱相互作用的超分子构建以及分子识别机理，构建新的混合模式超分子分离介质，为新型超分子构建和机理研究提供方法基础。发表SCI论文 20篇以上，申请国内外发明专利4-5项，举办相关的国际研讨会。

针对工业生物过程包括酶催化反应和生物分离和检测过程中的共同基本科学问题，即生物分子相互作用和分子识别机制，分别开展了如下研究工作：1）采用分子模拟结合多种实验方法，研究了酶与环境、酶与小分子、酶与载体的协同作用机制。创新性开发了基于纤维小体、超分子自组装、Au-S 键和硼酸键（可逆共价键）介导的多酶“分子机器”，实现了多酶在分子水平上的可控组装和定向有序固定化，解析了多酶催化体系的分子识别机理。相关研究应用于葡萄酸盐的多酶合成，催化效率比游离酶提高7倍，时空产率达到23g/L/h; CO2的多酶协同转化中，多酶分子机器重复使用10个批次的累计辅因子再生率为1077.7％。上述研究为多酶催化体系的构建提供了重要的理论和实验基础。 2）研究了靶向配体和目标分子的相互作用机制，利用超分子自组装技术，构建了基于分子印迹仿生分子识别和DNA分子识别的高效生物检测体系，实现了肿瘤标志物以及HIV-1病毒基因组可视化成像，可直观、完整的揭示HIV-1病毒不同阶段的动态行为与相关机理，并为多种病毒基因组成像提供了新技术。通过超分子自组装技术合成了光热敏感性纳米金载药体系，成功实现了生物大分子治疗药物的局部光控释放，取得了良好的诊疗效果。以价格低廉的琼脂为原料，通过乳化-固化法合成了琼脂凝胶微球，成本仅为普通琼脂糖的4%，构建新型混合模式分离体系，消除琼脂中负电荷带来的非特异性吸附，实现了肝素分子的高效选择性分离，为后续的工业化应用提供了重要的方法基础。 项目顺利完成了既定研究任务，在Nature nanotechnology，Nat. Commun.、Angew. Chem. Int. Ed.，Small等高水平SCI期刊上发表48篇SCI论文，申请专利11项。主办及参与组织国际会议3次，国际会议大会/特邀报告2 次；国家基金委杰出青年基金获得者1人次，北京市科技新星计划1人次，培养博士生12名、硕士生40名。