多酶体系共固定化：MOF包埋法与亲和吸附法

发布时间：2020-10-14 01:57

　　 多酶级联反应体系能够以高效的方式完成催化作用,反应的中间产物在不同酶的活性位点之间转运。这一机制可以保持中间体的高局部浓度以及减少运输过程中的扩散损失,促进了整体催化效率的提高。受此启发,仿生构建多酶级联反应也越来越多引起研究者的关注。其中,甲醇脱氢酶(Methanol dehydrogenase,FDH)-甲醛脱氢酶(Formaldehyde dehydrogenase,FalDH)-乙醇脱氢酶(Alcohol dehydrogenase,ADH)-谷氨酸脱氢酶(Glutamate dehydrogenase,GDH)级联反应体系与碱性磷酸酶(Alkaline phosphatase,AKP)-酪氨酸酶(Tyrosinase,TYR)级联反应具有重要的研究价值。FDH-FalDH-ADH-GDH级联反应能够在温和的条件下高效地将二氧化碳还原为甲醇,对于二氧化碳的固定化与温室效应的缓解有着重要的意义。而AKP-TYR级联反应的底物邻-磷酸-L-酪氨酸可以抑制人类肾脏和乳腺癌细胞的生长,对其研究有重要的医学价值。结合多酶级联反应体系中高效的协同催化机理,通过酶固定化,开发新型的多酶体系共固定化技术,具有非常重要的科学意义与应用价值。酶固定化的方法主要有四种,即吸附、共价键合、包埋和交联。其中,包埋不需要对酶进行修饰改性,所以在很大程度上保留了酶的原有结构,使得其酶活损失较少。MOF材料因具有其超高的比表面积、大部分生物相容性好、可调节的孔尺寸和功能结构以及良好的热稳定性等特性,使其成为良好的酶固定化载体材料。在此基础上,将固定化酶与分离膜相结合,构建酶膜反应器可以使得酶催化与产物分离同时进行,进一步提高了反应效率。本文构建了两种多酶级联反应体系:FDH-FalDH-ADH-GDH级联反应体系和AKP-TYR级联反应体系。将FDH与GDH、FalDH与GDH、ADH与GDH分别原位包埋于ZIF-8内,构建出FDH-FalDH-ADH-GDH级联反应体系,用于将还原CO_2为甲醇的催化反应。此外,本文将还原型辅酶Ⅰ与脱氢酶一起包埋与ZIF-8内,构建级联反应。基于上述酶固定化方法,进一步地将固定化酶与分离膜结合,在膜孔内构建FDH-FalDH-ADH-GDH级联反应体系,使催化与分离同步进行。此外,本文还将竞争可逆抑制剂为具有长脂肪链的“两亲”分子,利用亲和吸附法定向诱导酪氨酸酶与碱性磷酸酶共同固定在载玻片上,构建出了AKP-TYR级联反应体系。由上述研究工作,得到以下结论:(1)将辅酶与酶共同被包埋至ZIF-8内可以解决其传质速度较慢和和NADH损耗较大的问题,其催化效率较提高了约15%。(2)当引入了酶膜反应器后,FDH-FalDH-ADH-GDH多酶级联反应催化效率得到了进一步提升。(3)对于FDH-FalDH-ADH-GDH多酶级联反应体系而言,无序固定化酶膜反应器的催化活性劣于有序固定化酶膜反应器。(4)与抑制剂结合后制备的固定化的多酶体系较普通固定化的多体系酶活性更高,提高了约有72%。这可能是因为酶与抑制剂反应后可以使得酶的活性位点朝上,有利于酶促反应的进行。
【学位单位】：浙江理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：Q55
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
    1.1 多酶级联反应体系
        1.1.1 多酶级联反应体系的分类
        1.1.2 FDH-FalDH-ADH级联反应
        1.1.3 AKP-TYR级联反应
    1.2 多酶级联反应体系共固定化
        1.2.1 吸附法固定多酶级联反应体系
        1.2.2 包埋法固定多酶级联反应体系
        1.2.3 共价键合法固定多酶级联反应体系
        1.2.4 交联法固定多酶级联反应体系
        1.2.5 生物亲和作用固定多酶级联反应体系
    1.3 酶膜反应器
        1.3.1 酶膜反应器的分类
        1.3.2 酶膜反应器的应用
    1.4 酶抑制剂
        1.4.1 酪氨酸酶抑制剂
        1.4.2 碱性磷酸酶抑制剂
    1.5 课题的意义与主要研究内容
        1.5.1 课题的意义与提出
        1.5.2 本课题的主要研究内容
第二章 MOF共固定化多酶体系还原二氧化碳
    2.1 引言
    2.2 实验部分
        2.2.1 实验材料与试剂
        2.2.2 enzymes/ZIF-8 复合物的合成与表征
            2.2.2.1 FDH&GDH/ZIF-8 的合成
            2.2.2.2 FalDH&GDH/ZIF-8 的合成
            2.2.2.3 ADH&GDH/ZIF-8 的合成
        2.2.3 enzymes&coenzyme/ZIF-8 复合物生物合成与表征
            2.2.3.1 FDH&GDH&NADH/ZIF-8 的合成
            2.2.3.2 FalDH&GDH&NADH/ZIF-8 的合成
            2.2.3.3 ADH&GDH&NADH/ZIF-8 的合成
            2.2.3.4 enzymes&coenzyme/ZIF-8 复合物的表征
        2.2.4 多酶级联反应的构建
    2.3 结果与讨论
        2.3.1 enzymes/ZIF-8 复合物的表征
            2.3.1.1 扫描电镜分析
            2.3.1.2 X-射线衍射分析
            2.3.1.3 热重分析
            2.3.1.4 比表面积与孔径分析
        2.3.2 enzyme&coenzyme/MOF复合物的表征
            2.3.2.1 扫描电镜分析
            2.3.2.2 X射线衍射分析
            2.3.2.3 热重分析
            2.3.2.4 表面积与孔径分析
        2.3.3 FDH-FalDH-ADH-GDH多酶级联反应的构建
    2.4 小结
第三章 有序固定化酶膜反应器还原二氧化碳
    3.1 引言
    3.2 实验部分
        3.2.1 实验材料与试剂
        3.2.2 PDMS/PADF复合膜的合成与表征
            3.2.3.1 PDMS/PADF复合膜的合成
            3.2.3.2 PDMS/PADF复合膜的表征
        3.2.3 酶膜反应器的制备与表征
            3.2.3.1 酶膜反应器的制备
            3.2.3.2 酶膜反应器的表征
        3.2.4 酶膜反应器装置及实验
            3.2.4.1 实验装置
            3.2.4.2 酶膜反应器还原二氧化碳合成甲醇的研究
    3.3 结果与讨论
        3.3.1 PDMS/PVDF复合膜的表征
        3.3.2 酶膜反应器的表征
        3.3.3 酶膜反应器还原二氧化碳为甲醇的研究
            3.3.3.1 酶膜反应器的酶固定化类型对催化活性的影响
            3.3.3.2 渗透通量对酶膜反应器催化活性的影响
            3.3.3.3 反应时间对酶膜反应器催化活性的影响
    3.4 小结
第四章 酪氨酸酶和碱性磷酸酶双酶体系共固定化
    4.1 引言
    4.2 实验部分
        4.2.1 实验材料与试剂
        4.2.2 抑制剂的修饰与表征
            4.2.2.1 β-熊果苷的修饰与表征
            4.2.2.2 联苯胺的修饰
        4.2.3 修饰后的抑制剂的抑制类型与可逆性测定
            4.2.3.1 β-熊果苷衍生物抑制类型与可逆性的测定
            4.2.3.2 联苯胺衍生物抑制类型与可逆性的测定
        4.2.4 酶的纯化
            4.2.4.1 酪氨酸酶的纯化
            4.2.4.2 碱性磷酸酶的纯化
        4.2.5 吸附法固定酪氨酸酶和碱性磷酸酶
        4.2.6 载酶量的测定
        4.2.7 AKP-TYR级联反应的构建
    4.3 结果与讨论
        4.3.1 抑制剂衍生物的表征
            4.3.1.1 β-熊果苷衍生物
            4.3.1.2 联苯胺衍生物
        4.3.2 改性抑制剂的抑制类型与可逆性
            4.3.2.1 β-熊果苷衍生物的抑制类型与可逆性
            4.3.2.2 联苯胺衍生物的抑制类型与可逆性
        4.3.3 载酶量的测定
        4.3.4 AKP-TYR级联反应的构建
    4.4 小结
第五章 总结与展望
参考文献
攻读学位期间研究成果
致谢

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本文编号：2840009