[发明专利]利用酶自组装形成超分子水凝胶用于生物催化的方法

说明书

本发明公开了利用酶自组装形成超分子水凝胶用于生物催化的方法，包括利用酶自组装法固定乙醇脱氢酶的方法及其用途、合成R‑手性醇的方法，其中利用酶自组装法固定乙醇脱氢酶的方法包括：将乙醇脱氢酶、含氮有机配体和pH缓冲液混合，得到预凝胶化初始溶液；将初始溶液和金属离子溶液混合并继续进行凝胶化反应，得到凝胶溶液；对凝胶溶液进行离心、洗涤和冻干处理，得到含有乙醇脱氢酶的多孔水凝胶。该固定化方法步骤简单，不需要载体，无需进行化学修饰和额外的添加剂，相比于游离酶，该通过酶自组装得到的水凝胶具有更好的有机溶剂耐受性、热稳定性和储存稳定性，用于催化不对称还原芳基酮合成R‑手性醇具有很高的收率和手性选择性。

技术领域

本发明属于生物催化技术领域，涉及利用酶自组装形成超分子水凝胶用于生物催化的方法，具体而言包括利用酶自组装法固定乙醇脱氢酶的方法及其用途、合成R-手性醇的方法。

背景技术

生物催化具有高选择性、高效、绿色温和的特点，是人类物质生产进步的强大推动力。其中，生物催化剂是核心。酶作为广泛应用的生物催化剂，其分离纯化和重复使用是制约工业应用的主要障碍。为解决该问题，诞生了酶的固定化技术，即将水溶性酶用物理或化学方法处理，使之成为不溶于水的，但仍具有酶活性的状态。传统的固定化方法包括基于载体的物理吸附、共价接枝、亲和力、交联等，固定化的作用力太强则导致活性大量损失，作用力太弱则导致稳定性差易脱落，因此活性与稳定性存在矛盾。此外，一些方法通过包埋封装来固定酶，例如MOF包酶，虽然稳定性高，但是固定量小且存在很大的传质阻力。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出利用酶自组装形成超分子水凝胶用于生物催化的方法，在无需载体的基础上以酶分子自身做骨架来平衡传统酶固定化方式中活性与稳定性的冲突。

本申请主要是基于以下问题和发现提出的：

现有技术中，有通过交联共价结合来固定酶的工艺，例如有将牛血清白蛋白载体与南极假丝酵母脂肪酶B配合并对交联酶聚体进行醛基修饰来实现酶的固定。但现有固定酶的工艺中大多存在以下缺点：如酶的固定量小，固定酶活性损失很高且活性和稳定性不能兼得，以及固定化步骤繁杂，需要载体，常常涉及到化学修饰、各类添加剂等。发明人意外发现，可以以酶分子自身做骨架来平衡传统酶固定化方式中活性与稳定性的冲突，在有机配体的保护和凝胶化作用下形成弱交联的网络结构，然后在金属离子的稳定作用下进一步诱导生长并强化凝胶网络的稳定性，从而实现酶自组装形成三维多孔的稳定的超分子水凝胶，获得兼具较高活性和稳定性的固定化酶。

为此，在本发明的一个方面，本发明提出了一种利用酶自组装法固定乙醇脱氢酶的方法。根据本发明的实施例，该方法包括：

(1)将乙醇脱氢酶、含氮有机配体和pH缓冲液混合，得到预凝胶化初始溶液；

(2)将所述初始溶液和金属离子溶液混合并继续进行凝胶化反应，得到凝胶溶液；

(3)对所述凝胶溶液进行离心、洗涤和冻干处理，得到含有乙醇脱氢酶的多孔水凝胶。

本发明上述利用酶自组装法固定乙醇脱氢酶的方法至少具有以下优点：1、基于含氮有机配体的保护作用和金属离子的稳定作用，可以在无需载体的基础上使乙醇脱氢酶通过自组装得到具有三维多孔结构的水凝胶，使固定化后的酶的活性和稳定性均得到显著提升；2、固定化步骤简单，不需要载体，无需进行化学修饰和额外的添加剂；3、对酶的固定量很大，得到的多孔水凝胶中乙醇脱氢酶的质量占比能达到30～80wt％；4、制得的多孔水凝胶还呈现出很好的有机溶剂耐受性、热稳定性和储存稳定性，用于催化酮类合成R-手性醇具有很高的收率和手性选择性；5、在相同酶含量下，制得的多孔水凝胶的催化活性相比于游离酶更高；6、制得的多孔水凝胶结构稳定性和催化稳定性更好，重复使用多次后对于催化酮类转化为R-手性醇的催化活性仍然很高且保持了高手性选择性。

另外，根据本发明上述实施例的利用酶自组装法固定乙醇脱氢酶的方法还可以具有如下附加的技术特征：