石墨烯為基底開(kāi)發(fā)多功能納米生物催化系統(tǒng)

2022年11月23日 13:38
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石墨烯為基底開(kāi)發(fā)多功能納米生物催化系統(tǒng)的圖1
摘要
ABSTRACT

鑒于石墨烯具有廣闊的表面積和獨(dú)特的物理化學(xué)屬性，包括高機(jī)械剛度、彈性、強(qiáng)度和卓越的導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性，石墨烯和基于石墨烯的納米結(jié)構(gòu)材料在不同領(lǐng)域引起了研究人員極大的興趣，如能源儲(chǔ)存、催化、環(huán)境傳感和修復(fù)。較大的表面積和功能化的適應(yīng)性使石墨烯基納米復(fù)合材料成為固定各種生物分子、蛋白質(zhì)和酶的理想納米載體。石墨烯納米結(jié)構(gòu)被各種功能基團(tuán)（即羥基、羧基和環(huán)氧化物基團(tuán)）功能化后，有可能引入新的特性，從而提高固定化生物催化劑的性能，如增強(qiáng)在活體中的運(yùn)輸能力，保護(hù)其免受蛋白酶的作用，促進(jìn)電子轉(zhuǎn)移到蛋白質(zhì)，以及在微芯片生物反應(yīng)器和微型設(shè)備中有效整合酶。在此，我們介紹了目前在利用石墨烯納米材料進(jìn)行酶固定化，為一系列生物技術(shù)應(yīng)用開(kāi)發(fā)強(qiáng)大的納米生物催化系統(tǒng)方面的進(jìn)展。在總結(jié)了基于石墨烯的納米材料的工程和酶與材料的協(xié)調(diào)以提高催化性能之后，我們特別強(qiáng)調(diào)石墨烯和基于石墨烯的納米結(jié)構(gòu)作為理想的支持基質(zhì)，為多方面的生物技術(shù)應(yīng)用開(kāi)發(fā)多功能納米生物催化系統(tǒng)的前景。在這個(gè)快速發(fā)展的領(lǐng)域，我們也概述了可能的挑戰(zhàn)和基于未來(lái)的觀點(diǎn)。


ABSTRACT: Given the extensive surface area and unique physicochemical attributes, including high mechanical stiffness, elasticity, strength, and superior thermal and electrical conductivity, graphene and graphene-based nanostructured materials have enticed supreme researcher’s interest in diverse fields, such as energy storage, catalysis, environmental sensing, and remediation. Substantial surface area and functionalization amenability render graphene-based nanocomposites interesting nanocarriers for immobilizing a variety of biological molecules, proteins, and enzymes. Functionalization of graphene nano-constructs by various functional moieties (i.e., hydroxyl, carboxylic, and epoxide groups) offer the opportunity to introduce novel properties that leads to enhanced performance of immobilized biocatalysts, such as enhanced transportation ability in living entities, protection from proteolytic action, facilitating electron transfer to the protein, and efficient integration of enzymes in microchip bioreactors and microdevices. Herein, we present current developments in exploiting graphene nanomaterials for enzyme immobilization to develop robust nano-biocatalytic systems for a range of biotechnological applications. After summarizing the engineering of graphene-based nanomaterials and enzymenanomaterial coordination for enhanced catalytic performance, particular emphasis has been given to thoroughly illustrating the promise of graphene and graphene-based nanoarchitectures as ideal support matrices to develop multifunctional nano-biocatalytic systems for multifaceted biotechnological applications. Possible challenges and future viewpoints in this quickly evolving field are also directed.


關(guān)鍵詞：納米生物催化作用 石墨烯 磁性氧化石墨烯納米復(fù)合材料 膜反應(yīng)器 木質(zhì)纖維素水解 污水處理

石墨烯為基底開(kāi)發(fā)多功能納米生物催化系統(tǒng)的圖2
01

引言

與游離的酶相比，固定化的衍生物擁有許多不可缺少的優(yōu)點(diǎn)，包括提高對(duì)映選擇性、可重復(fù)使用、增強(qiáng)操作穩(wěn)定性、方便反應(yīng)器操作和產(chǎn)品回收，避免了酶催化劑的浪費(fèi) [1] 。更重要的是，固定化過(guò)程可通過(guò)操縱催化中心的幾何構(gòu)型來(lái)提高酶的選擇性，從而增加酶構(gòu)象和酶的微環(huán)境的穩(wěn)定性 [2] 。但是固定化的生物催化劑也可能表現(xiàn)出比游離酶更低的催化活性，因?yàn)槊傅幕钚晕稽c(diǎn)有部分阻塞，底物和酶分子之間的質(zhì)量轉(zhuǎn)移限制增加，以及構(gòu)象的改變，這對(duì)其生物催化活性是不利的 [3] 。因此，探索新的支持材料和酶固定化的協(xié)議是至關(guān)重要的。  
基于石墨烯的納米復(fù)合材料具有較大的表面積，使其成為固定各種酶和生物分子的卓越支持基體。石墨烯及其衍生材料可以被各種功能基團(tuán)（即羥基、羧基和環(huán)氧化物基團(tuán)）功能化，以開(kāi)發(fā)具有擴(kuò)展特性的工程納米材料，作為納米組件和納米支架應(yīng)用 [4] 。


石墨烯為基底開(kāi)發(fā)多功能納米生物催化系統(tǒng)的圖3
02

合成石墨烯基納米材料

利用三種不同的方法可以合成基于石墨烯的光催化納米復(fù)合材料。
第一種方法需要利用氧化石墨烯 GO 中擁有氧氣的位置作為納米粒子形成的起始點(diǎn)，直接在 GO 的表面形成納米粒子。例如，將 TiF4 在 60 ? C 的 GO 水溶液中水解 24 小時(shí)，形成 TiO2-GO 納米復(fù)合材料 [5] 。
第二種方法將 GO 改變?yōu)檫€原氧化石墨烯（ rGO ），以使電子更容易移動(dòng)。例如，氧化鋅 - 石墨烯的復(fù)合材料是通過(guò)將 GO 的分散體引入到鹽（ Zn(AcO)3H2O ）中作為先導(dǎo)材料制成的 [6] 。
第三種方法使用單步直鏈氧化還原過(guò)程來(lái)制備石墨烯光催化復(fù)合材料 [7] 。

石墨烯為基底開(kāi)發(fā)多功能納米生物催化系統(tǒng)的圖4

03

GO表面功能化

3.1 PEG功能化

使用聚乙二醇（ PEG ）可以改善石墨烯復(fù)合材料的溶解率和生物相容性。如利用以胺為末端的分支 PEG ，逐步將 GO PEG 化。超聲波燒蝕用來(lái)將較大的石墨烯氧化物分解成更小的納米石墨烯氧化物（ nGOs ），然后利用 EDC/NHS 化學(xué)方法，將 nGO 的羧酸單元與分支 PEG 共價(jià)鍵接。使用 PEG 化方法進(jìn)行功能化，于體外表現(xiàn)出較低的毒性作用 [8] ，而具有末端胺基的 PEG 的 GO 還可以為后續(xù)的生物結(jié)合提供大量的氨基位點(diǎn)。

石墨烯為基底開(kāi)發(fā)多功能納米生物催化系統(tǒng)的圖5 

3.2親水聚合物功能化

如聚丙烯酸 (PAA)[9] 、聚賴氨酸 (PLL)[10] 、殼聚糖 [11] 和葡聚糖 [12] 。在其中一項(xiàng)研究中， PLL 被用來(lái)對(duì) GO 進(jìn)行功能化處理，這通過(guò) PLL 和氫氧化鉀（ KOH ）攪拌的 GO 溶液來(lái)完成，隨后用硼氫化鈉（ NaBH4 ）處理 GO[13] 。在合成的 PLL 功能化 GO 中存在大量的氨基，這表明它具有生物相容性和高度的可溶性。在一個(gè)不同的研究項(xiàng)目中，通過(guò)超聲波和微波照射產(chǎn)生了 PAA 包覆的 GO[14] 。除了提高 GO 的生物相容性外， PAA 的功能化還可以作為連接甲基丙烯酸熒光素的橋梁，從而使熒光 GO 用于成像系統(tǒng)。
3.3 非共價(jià)功能化
除了共價(jià)鍵之外， GO 表面的其他改變是非共價(jià)處理，如 π-π 填料、疏水作用和靜電力也可能增加石墨烯衍生物的生物相容性和可溶性。如使用 PEG 接枝的聚（馬來(lái)酸酐 -1- 十八碳烯）（即 C18PMHPEG ），通過(guò)石墨烯表面和 C18PMHPEG 聚合物中的長(zhǎng)度烷基端基之間強(qiáng)大的疏水耦合，對(duì)納米 RGO （ nRGO ）的表面進(jìn)行了改性 [15] 。

石墨烯為基底開(kāi)發(fā)多功能納米生物催化系統(tǒng)的圖6
04

協(xié)調(diào)酶-納米材料以提高催化性能

基于石墨烯的納米材料與生物大分子相互作用是至關(guān)重要的，因?yàn)樗鼈儧Q定了酶附著在固定化運(yùn)輸器上的強(qiáng)度，以及這對(duì)酶的催化功能的影響程度 [16] 。范德瓦爾斯相互作用、靜電作用、 p-p 配對(duì)或疏水相互作用是基于石墨烯的納米材料與生物分子連接的主要方式。
在酶和納米材料之間的相互作用中，靜電作用是很重要的，特別是當(dāng)涉及到負(fù)電荷的 GO 時(shí) [17] 。將細(xì)胞色素 c （ Cyt c ）固定在 GO 衍生物上是這些方法的一個(gè)例子 [18] 。當(dāng)帶正電荷的細(xì)胞色素 c 被加載到帶負(fù)電荷的納米材料上時(shí)，加載效果達(dá)到了可能的最高水平 [19] 。
最常用的固定化方法側(cè)重于蛋白質(zhì)和納米材料之間的相互作用，涉及通過(guò)物理吸附的非特異性結(jié)合 [20] 。由于吸附很容易，而且不受化學(xué)結(jié)合酶的影響，所以它經(jīng)常被用作固定化方法。然而，蛋白質(zhì)會(huì)從納米材料的表面漏出，這是非共價(jià)固定化的主要缺點(diǎn)。
基于共價(jià)鍵的固定化可以緩解前面的問(wèn)題，在大多數(shù)情況下，由于增強(qiáng)了穩(wěn)健性，穩(wěn)定性得到了提高。最常采用的策略是應(yīng)用適當(dāng)?shù)慕宦?lián)劑。對(duì)于 GO 上的羧基，可以使用碳二亞胺，如 1- 乙基 -3- （ 3- 二甲基氨基丙基）碳二亞胺（ EDC ） [21] 。胰蛋白酶、葡萄糖氧化酶以及 BSA 的固定化都是用這種方法成功完成的。
戊二醛是一種常見(jiàn)的交聯(lián)劑，用于基于石墨烯的有胺基的納米材料。 Manjunatha 等人用 BSA 對(duì)石墨烯表面進(jìn)行功能化處理，使用戊二醛對(duì)游離胺與膽固醇酯酶和膽固醇氧化酶交聯(lián) [22] 。

石墨烯為基底開(kāi)發(fā)多功能納米生物催化系統(tǒng)的圖7


石墨烯為基底開(kāi)發(fā)多功能納米生物催化系統(tǒng)的圖8
05

石墨烯固定化納米生物催化系統(tǒng)的應(yīng)用

5.1. 從水中去除染料

酶輔助處理受污染的水，主要使用氧化還原酶，然而，直接使用酶去除染料也存在低穩(wěn)定性和不可重復(fù)使用的問(wèn)題。近十年來(lái)，研究人員報(bào)道了石墨烯基酶生物結(jié)合物在處理染料污染水方面的應(yīng)用。通過(guò)靜電作用，將 HRP 固定在 GO 上，用于去除水中的各種酚類化合物，尤其是對(duì) 2- 氯苯酚和 2,4- 二甲氧基苯酚 [23] 開(kāi)發(fā)了一種加載了 laccase 的 GO- 聚醚砜（ GO-PES ）膜，用于降解和分離水溶液中的合成染料。與不含漆酶的 GO-PES 膜相比，加入酶的膜在水晶紫、甲基橙、活性亮藍(lán)和活性亮藍(lán)的生物催化降解方面表現(xiàn)出極大的改善。
5.2. 酮的不對(duì)稱還原（不對(duì)稱合成）
酒精脫氫酶（ ADH ）已被廣泛用于酮類的不對(duì)稱還原。為了提高可回收性， Kamogawa, Issasi, Sasaki, & Matsuda [24] 通過(guò)物理吸附將 ADH 固定在 GO 和 rGO 上，開(kāi)發(fā)了 GO-GcAPRD 和 rGO-GcAPRD 納米復(fù)合材料。所制備的 rGO-GcAPRD 有效地催化了各種酮類物質(zhì)還原成各自的 (S)- 醇，并具有高產(chǎn)率和出色的對(duì)映選擇性。他們還生產(chǎn)了 (S)-1-(3′,4′- 二氯苯基 ) 乙醇 ( 一種藥物中間體 ) ，其效率超過(guò) 99% ，分離率為 80% 。
5.3. 木質(zhì)纖維素生物質(zhì)水解
生產(chǎn)第二代乙醇的一個(gè)關(guān)鍵步驟是使用木聚糖酶和纖維素酶，將木質(zhì)纖維素材料水解成可發(fā)酵的糖類。在一項(xiàng)研究中， [25] 使用 GO 納米片作為物理交聯(lián)劑，制造了 CMC 接枝的 2- 丙烯酰胺 -2- 甲基丙烷磺酸共聚物水凝膠的新型三維網(wǎng)絡(luò)。將一種模型酶（ PersiCel1 ）固定在 GO 增強(qiáng)的雙交聯(lián)水凝膠網(wǎng)絡(luò)上，使其在 90 ? C 的高溫下保持了約 60 ％的原始活性，同時(shí)在儲(chǔ)存穩(wěn)定性和特定的生物活性方面有了明顯的改善。與游離酶相比，固定化的 PersiCel1 在堿處理甜菜漿的生物轉(zhuǎn)化中增加了 154.8% ，而 PersiCel1/neat- 水凝膠生物共軛物在類似條件下增加了 66.7% 。

石墨烯為基底開(kāi)發(fā)多功能納米生物催化系統(tǒng)的圖9


石墨烯為基底開(kāi)發(fā)多功能納米生物催化系統(tǒng)的圖10
06

結(jié)束語(yǔ)和未來(lái)展望

基于石墨烯的納米結(jié)構(gòu)材料由于具有一系列迷人的結(jié)構(gòu)屬性，理想的電氣、化學(xué)和機(jī)械性能，以及對(duì)有效裝載酶和大分子的功能化的適應(yīng)性，已經(jīng)獲得了研究人員越來(lái)越多的興趣。
盡管在這一領(lǐng)域已經(jīng)取得了廣泛的進(jìn)展，但要深入了解石墨烯材料對(duì)酶分子和蛋白質(zhì)的功能和結(jié)構(gòu)特性的影響，還需要進(jìn)行廣泛的研究工作。例如，評(píng)估石墨烯基納米材料的物理化學(xué)特性和功能化類型對(duì)酶取向和固定化效率的影響，有助于了解納米結(jié)構(gòu)材料與酶的協(xié)調(diào)，從而開(kāi)發(fā)出優(yōu)化的納米生物催化系統(tǒng)。探索低成本和簡(jiǎn)單的方法來(lái)合成具有特殊表面功能和物理化學(xué)性質(zhì)的石墨烯基納米材料，同時(shí)選擇合適的固定化技術(shù)，無(wú)疑會(huì)設(shè)計(jì)出具有廣泛生物應(yīng)用的有效納米生物催化系統(tǒng)。構(gòu)建具有生物相容性的石墨烯納米材料，其對(duì)環(huán)境的影響很小，毒性可以忽略不計(jì)。深入這一領(lǐng)域的研究，將擴(kuò)大石墨烯輔助的多功能納米生物催化系統(tǒng)在酶工程、生物轉(zhuǎn)化、生物燃料、能源生產(chǎn)、以及基于酶的生物傳感和生物分析應(yīng)用等領(lǐng)域的利用。

參
考
文
獻(xiàn)

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來(lái)源：閆博偉 | 圖文

老師：陳德富

編輯：李佳

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