[發明專利]磁驅固定化酶、制備方法及其在大水體催化中的應用

有效

• 申請號: 201410114538.5
• 申請日: 2014-03-24
• 公開（公告）號: CN103865916A
• 公開（公告）日: 2014-06-18
• 發明（設計）人: 呂明;周杰;吳家安;杜金玲
• 申請（專利權）人: 吉林大學
• 主分類號: C12N11/10
• 分類號: C12N11/10;C12N11/02
• 代理公司: 長春吉大專利代理有限責任公司 22201
• 代理人: 張景林;王恩遠

技術領域

本發明屬于酶固定化載體合成及酶固定化技術領域，具體涉及一種具有高穩定性、磁釋放、磁回收、磁驅動、高可重復利用率的磁驅固定化酶、制備方法以及其在大水體催化反應中的應用。

背景技術

生物催化劑，例如酶，具有催化的高效性、反應的專一性、反應條件的溫和性等優點，越來越多的被用于工業生產。但是由于天然的酶往往存在著穩定性差、不能重復利用以及難于從反應體系中分離等缺點極大的限制了酶制劑的應用。為解決上述問題，拓寬生物催化材料的應用范圍，酶固定化技術得以產生和發展。通過酶固定化技術，賦予了酶高穩定性和重復利用性，使得酶固定化技術在催化領域和環境友好綠色化學研究中有較好的發展前景。

傳統的酶固定化技術，諸如共價聯接、物理吸附、微囊包封以及半透膜或者凝膠包埋，存在著改變酶的構象或者結構發生改變（共價聯接）、酶由于固定化材料的穩定性不佳而在使用的過程中出現從固定化材料中逃逸（物理吸附、微囊包封和凝膠包埋）、反應底物或者產物的理化性質限制酶固定化后的反應能力（微囊包封、凝膠包埋、半透膜）等缺點，同時上述酶固定化方法及技術除了難于解決大水體反應體系（如：污水處理）中酶制劑與反應體系的均勻混合、釋放及回收難題外，在酶的固定化時還易于出現因酶固載量過高造成的酶分子之間的堆積，酶分子間的堆積將影響酶的結構和功能，降低單位有效酶活性，使得酶制劑的活性低于理論值。本發明的磁驅酶固定化載體制備技術可以同步解決上述問題。

發明內容

本發明的目的是提供一種具有高穩定性、磁釋放、磁回收、磁驅動、高可重復利用率的磁驅固定化酶、制備方法以及磁驅固定化酶在大水體催化反應中的應用。

本發明是通過構建一種磁驅酶固定化載體，實現對酶的單層固定化，該磁驅固定化酶適用于大水體催化反應，屬于無機化學、物理化學和生物化學領域。該酶固定化載體是以納米尺度鐵粒子為磁驅核心，利用硅基材料對鐵核心進行包埋，以具有能夠載入材料表面官能團的三甲氧基烷為基團化試劑，構建磁驅酶固定化載體；利用酶與硅基載體表面修飾基團間特定相互作用和雙功能交聯劑構建單層磁驅固定化酶。利用該方法可以合成多種多功能磁驅固定化酶制劑，其特征在于，具有磁驅核心，硅基中間殼層，可選擇官能團化載體表面，利用雙功能交聯劑實現多種酶的固定化。該磁驅固定化酶具有高穩定性、高可重復利用率等優點，在脈沖磁場作用下可以實現酶制劑的釋放、驅動和回收。本發明可用于制備針對大水體催化反應的酶制劑制備和應用。

本發明所述的磁驅固定化酶，是以納米尺度的順磁性鐵粒子為磁驅動核心，以氨基、羧基或巰基基團化試劑修飾的硅基材料為外殼；目標酶或基因工程改造酶通過基團化試劑引入的官能化基團固定化在硅基材料的外殼上，進而形成的單一酶單層磁驅固定化酶、單一酶單層定取向磁驅固定化酶、多種酶單層定比例磁驅固定化酶或多種酶單層定取向定比例磁驅固定化酶。

本發明采用納米尺度（直徑20納米以內）的順磁性鐵粒子作為磁驅動核心，利用在水溶液中具有高穩定性的硅基材料在鐵粒子表面形成硅基外殼（厚度20～100納米），以基團化試劑對硅基外殼進行修飾，從而在硅基外殼表面引入官能化基團（如：氨基、羧基、巰基等），利用目標酶分子與官能化基團間相互作用進行目標酶蛋白的固定，從而得到單一酶單層磁驅固定化酶、單一酶單層定取向磁驅固定化酶、多種酶單層定比例磁驅固定化酶和多種酶單層定取向定比例磁驅固定化酶。該磁驅固定化酶能夠在脈沖磁場作用下進行釋放、驅動和回收，適用于大水體催化反應。

與背景技術相比：

1）利用納米尺度順磁性鐵粒子作為磁驅動核心，解決酶制劑處理大水體樣本（如：污水）時的酶制劑的釋放、驅動和回收；

2）利用硅基化外殼包埋鐵粒子，一方面利用硅基材料的水溶劑中的穩定性對鐵核心進行保護，延長其使用時間；一方面利用硅基材料的大比表面積和表面可進行官能團修飾的性質，使得該材料可以進行酶的固定化，同時賦予固定化后制備的酶制劑以磁釋放、驅動和回收能力；

3）利用硅基表面的官能團與酶分子的相互作用實現酶的定量、定比例、定取向、單層固定化，解決背景技術中的酶分子過度固定化和堆積造成的單位有效酶活性下降的問題，實現酶固定化后的最大活性保持；

4）由于酶進行了定取向、定量的磁驅載體表面固定化，與背景技術相比，磁驅固定化酶制劑的催化不受產物及底物理化性質局限，與游離酶在溶劑中反應時的底物接觸和產物釋放能力相似；