设计具有表面活性的模拟酶颗粒用于构建皮克林乳液并实现高效的两相生物催化

AMquxiaogang由于酶具有高度的化学、立体、手性等选择性,它们可以高效地催化许多物质的转化。但是,在很多情况下,底物很难溶于水,然而酶只在水环境中有活性。这样,通常采用水-有机两相体系来提高底物浓度以获取高的产量。近年来,由胶体颗粒稳定的乳液,即皮克林乳液(Pickering emulsion),发展成为一种新型的两相生物催化体系用于提高酶活力。由于纳米颗粒很容易分离回收,因而使用皮克林乳液不仅会促进两相之间的物质转移,也会简化产物的分离过程。作为进一步发展,皮克林乳液界面生物催化,即使用酶固定的纳米颗粒作为整体来稳定乳液,成为了更有吸引力的方案;这是由于将酶直接放置于皮克林乳液的水-有机界面上最大化了水-酶-有机三相的接触面面积,从而使得酶可以更加充分利用两相中的底物。但是,由于天然酶存在较低稳定性、环境敏感性等缺陷,使得将酶用于皮克林乳液体系的催化仍然是个挑战。特别是,酶固定过程以及长期的暴露于油-水界面上易于导致酶结构变化,酶活性降低,难以重复利用等缺陷。另一方面,受天然酶复杂结构和转化机制的启发,将酶催化中心基团和人造组分组装构建类似于蛋白的超级结构被广泛的用于开发模拟酶。例如单层官能团修饰的金纳米颗粒、短肽组装纳米管等多价纳米结构,具有类似于天然酶的协同效应和变构效应,已成为具有广泛吸引力的仿生催化剂。尤其是,在高温,甚至纯有机溶剂等苛刻条件下,相比于天然酶,模拟酶具有更高的稳定性。

基于此,中科院长春应化所曲晓刚研究员及其团队设计了一种制备具有表面活性的模拟酶颗粒用于构建皮克林乳液并进行两相生物催化方案,克服了天然酶在皮克林乳液体系进行催化时缺陷。利用该方案合成的模拟酶,不仅能够稳定皮克林乳液,还可以同时有效地进行催化两相反应。特别是,通过改变催化中心官能团的,可以合成具有酯酶、磷酸三酯酶、过氧化物酶等不同催化活性的模拟酶颗粒,用于催化有机相中酯的水解、有机磷的降解以及硫芥的氧化。更重要的是,同天然酶相比,这些模拟酶具有良好的稳定性,可以长时间的处在油-水界面上并保持较高的催化活力,例如在重复使用20个循环以及在油-水界面上存储30天后,几乎没有活力损失。该工作为设计新型界面生物催化剂用于皮克林乳液体系中的生物转化提供了新的思路。

相关研究工作发表在Advanced Materials (DOI: 10.1002/adma.201504557)上。