近日，華南理工大學生物科學與工程學院朱偉教授團隊受邀在國際著名期刊Advanced Materials（IF=27.4）雜誌上線上發表題目為“Robust Immobilization and Activity Preservation of Enzymes in Porous Frameworks by Silica-Based “Inorganic Glue””的研究論文。華南理工大學生物科學與工程學院博士研究生鄭觀生和碩士研究生周壯為共同第一作者，華南理工大學為唯一通訊單位。
圖1.上圖：蛋白質催化矽化反應的示意圖，該過程強化原位固定化酶的結構，並增強酶與載體材料間的相互作用。下圖：描繪固定化酶在三種不同矽化狀態下的催化活性和洩漏情況。
天然酶因具有高催化效率、高底物特異性和可持續性等顯著優勢，在紡織、生物燃料、生命支援系統、食品、製藥以及醫療裝置等諸多領域有著廣泛應用 。然而，酶的應用面臨一系列棘手挑戰。外界環境諸如溫度、pH值和溶劑等因素稍有變動，酶的結構便極易因應激而受損，進而嚴重影響其催化效能，這極大地限制了酶在工業領域的大規模應用。同時，酶出色的水溶性也給其迴圈利用造成了極大阻礙。酶固定化（將酶固定在多孔載體上）可提高酶穩定性、延長迴圈壽命，為酶催化劑發展帶來新可能。在酶固定化領域，雖已開發出多種策略，但物理吸附法因其操作簡便等特性，在工業上依舊是常用且通用的技術，相關商業產品如 Novozym®435已被廣泛應用。但該方法存在酶裝載效率低、固定鬆散和酶洩漏等天然缺陷。雖有眾多應對策略，但又會引發降低酶活性、孔堵塞從而限制底物擴散等新問題。因此，開發一種原位、經濟有效且適用於大規模生產的策略，以增強物理吸附法固定化酶體系在工業環境中的穩定性和使用壽命，成為該領域亟待解決的關鍵問題。
矽基基質具有化學惰性、機械強度高和熱穩定性好等優良特性而被廣泛用於酶固定化。朱偉教授團隊長期致力於矽基基質在酶固定化及調控生命體活動等方面的研究，並取得了一系列成果（PNAS. 2024, 121, e2408273121; PNAS. 2024, 121, e2322418121; Angew. Chem. Int. Ed. 2024, 63, e202406110；Nat. Rev. Bioeng. 2024, 2, 282; ACS Nano 2022, 16, 2164；Nat. Commun. 2022, 13, 6265；J. Am. Chem. Soc. 2021, 143, 17, 6305等）。
在此工作中，朱偉教授團隊引入了一種新概念——矽基無機膠水，透過酶蛋白和多孔載體的官能團誘導矽化作用，實現原位強化固定化酶結構、增強載體與酶相互作用，且不影響酶原始活性，進而提升固定化酶的穩定性和使用壽命。該概念具有以下優勢：
1）強化酶結構——固體無機二氧化矽與酶在單酶水平上進行雜交，有效強化酶的結構，增強固定化酶對外部環境變化的抵抗能力；
2）最佳化酶與基質的相互作用——多孔載體孔壁表面的官能團（如氨基）能夠催化矽化反應，隨後與發生矽化的酶相結合。這一過程如同“膠水效應”，極大地加強了酶與支援基質之間的相互作用，有效防止酶洩漏，顯著延長固定化酶的迴圈壽命；
3）避免孔隙堵塞——該方法引入多孔載體的二氧化矽量極少且高度可控，能夠有效避免孔隙堵塞問題，確保底物和產物在孔隙通道內的正常擴散不受影響；
4）具備成本效益與可擴充套件性——該工藝可直接應用於現有的工業固定化酶系統，為工業生產提供了一種經濟高效且易於擴充套件的解決方案。
總的來說，基於矽基無機膠水的增強策略，憑藉其簡單性、可靠性和高效性，為酶固定化工業的發展注入了強大動力，有望在多個領域推動綠色、可持續的工業生產變革。
該研究得到了國家自然科學基金及廣東省自然科學基金等專案的支援。
論文連結：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.202407831
來源：華南理工大學
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