酶在科学前沿中的应用

酶在科学前沿中的应用

周则杨

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引言：酶在生物体内有着至关重要的作用，我们生命活动无时不刻不需要酶的催化，酶与均相催化剂相比有着选择性高，高反应活性的优点。这样的特点也使得酶在工业中可以发挥出无与伦比的作用。如在制备一些复杂化合物的时候，，现有的化学法制备这些复杂 化学结构时往往需要使用特殊催化剂、进行官能团保护和脱保护、手性拆分等，导致合成路线长、产品收率低、生产成本高。而酶具有高效的立体选择性，将其应用于那些复杂分子的制备，可以极大的简化制备的流程、工艺设备。以口服抗生素克林霉素棕榈酸酯的制备为例， 现有的化学法涉及基团的保护与脱保护，产品收率低，工艺复杂，副产物多。以脂肪酶为催化剂可一 步合成克林霉素棕榈酸酯，收率达到 90%，纯度达到 97%，催化位点选择性100%(图

【】一) 1。

关键词：生物催化；酶；纳米材料；绿色化学

1. 工业酶催化

与自然界进行的酶催化过程相比，现有的工业酶催化过程的数量非常有限。制约酶催化在化学工业中应用的根本原因是自然界的酶多是在生理条件下发挥其催化功能，而化学工业中的生产环境往往与酶的生理环境迥异。高温和有机溶剂的存在常常使得酶在工业催化过程中活性不高或者稳定性急剧下降。如有机溶剂是化学工业中使用最为广泛的反应介质，使用有机溶剂可以提高反应物溶解度、抑制逆反应、抑制水的副作用、防止体系染菌。然而多数天然酶在有机溶剂中会发生失活、聚集，导致其表观催化活性很低，难以重复使用。表 1

列

举了一些国际知名的化学品公司和制药公司采用酶法生产的化学品的名称、所使用的酶催化

【】剂 及生产规模。2-4

2. 工业酶的构建方法

工业酶催化剂的构建方法可划分为物理法、化学法和生物法三大类，前二者不收变酶分子自身的组成，只是通过物理或者化学结构的引入如吸附、包埋和交联等来构建一个适合酶催化的微环境，或者通过物理空间来抑制酶分子热变性以及减少有机溶剂对于酶分子的失活作用等，是目前工业上主要运用的方法，生物法则是对于酶分子的组成和结构进行收造，按照收造方法的不同，主要 可分为定向进化和定点突变两大类。这两方面都 有很多成功的案例，如采用定向进化的方法将脂肪 酶Candida antarctica Lipase B在70℃下的半衰期提 高了 20 倍；将脂肪酶在 60℃下热稳定性提高了144 倍，同时使催化效率提高了约20 倍以及获得了低温、低pH 条件下高活性的木糖异构酶（来自 Thermotoga neapolitana）。采用定点突变和理性 设计的方法使枯草杆菌酶（来自Bacillus sp.）在15～ 25℃的酪蛋白水解活性提高6倍，使脂肪酶 （Candida antarctica Lipase B）在 50℃热稳定性提 高了 4.5

倍，使葡聚糖酶

（来自 Fibrobacter succinogenes）的热稳定性 Tm 值提高了 2℃，活性 提高了 75%。分子模拟技术和高通量筛选技术的发展将会有力地推进生物手段收造甚至重构酶方法的进步及其应用。纳米技术的发展为构建高效酶催化剂提供了新的契机。与常规的固定化酶技术相比，纳米结构酶催化剂的纳米尺度有利于减少对于酶和底物接触的阻碍，从而有利于提高酶催化剂的表观活性，同时纳米材料的独特结构和性质可能提高酶的稳定性甚至可能对酶催化功能进行强化。伴随着纳米国学和技术的飞速发展，纳米结构酶催化剂成为当前工业酶催化剂领

【】域的一个发展迅速的活跃分支。下表为一些典型的纳米催化剂制备模式。5-9

3. 共沉淀法制备纳米酶催化剂

例如Ge 等的研究向蛋白的磷酸盐缓冲液中加入 硫酸铜溶液，可以制备出如图 2(a)所

【】示的蛋白- Cu3(PO4)2·3H2O 杂化纳米花结构。10蛋白分子主要 起收诱导磷酸铜晶体成核

的作用，并被包埋于纳米花结构的中心部位，将磷酸铜纳米晶体组成的片状 结构粘连起来形成纳米花。包埋于纳米花结构中的 漆酶在水溶液中的催化活性为天然酶的 5～7 倍，且 稳定性得收很大提高。这样一种具有高催化活性的漆酶纳米花可应用于水体中酚类污染物的快速、灵 敏检测

4. 纳米结构酶催化剂研究展望

现有的纳米结构酶催化剂的制备方法主要可 分为固定化、化学结合、原位聚合以及共沉淀等方 法。这些方法各有其特点和不足，常规固定化方法 所采用的较大尺度的包埋介质材料往往会对酶反应 的底物传质具有阻碍作用，纳米结构的包埋介质如 纳米孔道的水凝胶包埋酶分子为降低传质阻力提供了有效途径。化学结合法是通过化学反应直接将酶分子与功能性聚合物连接起来，其优点是可利用聚合物的功能性来强化酶催化剂的催化活性和可分离回收特性，但键合反应发生在酶和聚合物这两类大分子之间，需要解决空间位阻对产物收率和产 物均一性的负面影响。原位聚合法是先在酶分子表面收饰双键，然后再加入单体原位聚合交联形成纳米结构酶催化剂，其优点是反应收率高、可控性好，但在收饰、聚合等过程中会发生酶失活的问题，同时如何提高这两个反应的可控性也是需要重视的问题。共沉淀法是通过溶液中金属离子与酶分子间的络合作用使得酶分子被共沉淀包埋于无机晶体或者金属有机骨架材料中。该方法在常温下进行，免除了化学反应，得收的酶-无机晶体杂化纳米花和酶-金属有机骨架材料复合物具有比表面积大的优势，金属离子还可能具有激活作用。但如何选 择合适的金属离子，如何实现过程放大和可控制备 是此类方法需要解决的问题。

酶催化过程的参与者包括：酶、底物、产物和反应介质。本文所介绍的研究结果表明，导入纳米材料可以构建一个新的酶反应环境和体系，调节酶、

底物、产物和反应介质之间

的相互作用，使酶的活性、选择性和稳定性得收保持或者提高。同时纳米结构的材料属性如温敏性和磁响应特性等也为酶催 化剂的操作和回收提供了便利。国前纳米结构酶催 化剂的研究更多地集中在新型催化剂所具备的新功效上，在研究内容上需要进一步探索简便、经济、 可控的纳米结构酶催化剂制备方法，以及从分子水平出发研究纳米材料介入后酶反应体系的各个参与者之间相互作用机制的变化。在研究方法上应注重将计算化学、分子生物学和材料学的方法相结合来揭示酶分子在纳米结构中的特性，揭示纳米结构的形成过程，为纳米酶催化剂的构建、可控合成和工 业应用提供坚实的理论基础、设计方法和制备工艺，推进纳米结构酶催化剂在化学工业中的应用。

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