生物催化
關注創(chuàng)建者：化工707 創(chuàng)建時間：2022-09-14
生物催化的實例教程
探索催化劑以促進和完善反應性是有機化學的一項中心工作。
在過去，人工催化劑已經取得了令人矚目的發(fā)展，利用特定元素，可以進行無數種反應。這些催化劑用途廣泛，但其速率和選擇性與酶卻無法相提并論。為了兼具酶催化與人工催化的優(yōu)勢，生物催化應運而生，正在成為一個跨學科的領域。
1. 生物催化：魚與熊掌皆可得也
生物催化需要化學家和蛋白質工程師之間相互合作，在大自然的幫助下，來彌合兩種催化方式之間距離。目前，生物催化已取得了令人印象深刻的成績，包括建立新的化學轉化。
諾貝爾化學獎得主Frances H. Arnold 教授發(fā)表于nature synthesis的評論性文章總結了新于自然（new-to-nature）生物催化研究進展，重點介紹了若干跨學科研究的例子，這些研究將有助于擴大生物催化的范圍，包括通過生物仿生學的視角探索的酶的多功能性概念，以實現(xiàn)超越目前化學催化所能實現(xiàn)的活性和選擇性。
2. 仿生催化：合成化學與酶催化的第一次碰撞
仿生催化，即開發(fā)尋求模仿生命反應和模仿酶底物活化的人造催化劑，是合成化學和酶催化之間許多重要合作的第一個，起源于20世紀50年代。盡管它無法重現(xiàn)酶的快速速率和無與倫比的選擇性，但生物仿生學推動了合成化學的進步，包括開發(fā)自然界尚不知道的催化反應。
在細胞色素P450單氧酶的故事中，可以看出生物學和化學相互啟發(fā)、相互借鑒和相互促進的卓越方式。
自20世紀60年代發(fā)現(xiàn)以來，含血紅素的P450酶有選擇地用分子氧氧化特定的C-H鍵的驚人能力，吸引了更廣泛的化學界的注意。
展開 近年來，生物催化已成為合成化合物的重要途徑，也常應用于工業(yè)規(guī)模的生產。為了應對工業(yè)經濟對生物催化反應的嚴苛要求，相關研究團隊在提高反應時空產率、底物轉化率和產物濃度等方面做出了許多努力。
由于酶在水相體系中往往更穩(wěn)定，水性介質通常會被選作進行酶促反應的溶劑。然而，常見的工業(yè)化合物的水溶性通常很差，如果使用水溶液會導致底物負載量低和生產效率下降；同時，一些合成反應需要酶法與化學法聯(lián)用，部分化學催化劑只能在非水介質中使用。這就造成了在溶劑體系選擇方面的矛盾與難題。
最近，一篇入選了“2021 Green Chemistry Hot Articles”的關于生物催化反應溶劑體系選擇的綜述文章進入了我們的視野，這一綜述對于酶賽這類生物催化領域的公司具有巨大幫助。Rother教授及其同事對不同的溶劑體系的優(yōu)勢與挑戰(zhàn)進行了分析，并進一步挑選了適合不同體系的“非常規(guī)介質”。最后，他們還制作了流程圖，便于有合成需要的團隊能夠根據所需快速找到合適的溶劑體系。其中，酶賽的Marco Bocola博士也是這篇綜述的作者之一。
一、不同的生物催化反應溶劑體系
這篇綜述根據溶劑體系中水與其它溶劑含量所占比例不同，將體系分為水單相（純水相/共溶劑體系），兩相（雙相/水-底物體系）和非水單相體系（微水反應體系/純底物體系）三大類。體系具體組成可見下圖（原文Fig.1）。
Fig. 1 不同溶液體系的相對水含量
1.1 水單相溶劑體系
水溶劑或緩沖溶液性質溫和且容易獲得，因此被視為最簡單的方法。它可以是純水相，也可以在水溶劑中添加適量能與水混溶的共溶劑以提高反應試劑溶解度（共溶劑還可以參與反應，例如輔因子再生）。
展開 摘要
ABSTRACT
鑒于石墨烯具有廣闊的表面積和獨特的物理化學屬性，包括高機械剛度、彈性、強度和卓越的導熱性和導電性，石墨烯和基于石墨烯的納米結構材料在不同領域引起了研究人員極大的興趣，如能源儲存、催化、環(huán)境傳感和修復。較大的表面積和功能化的適應性使石墨烯基納米復合材料成為固定各種生物分子、蛋白質和酶的理想納米載體。石墨烯納米結構被各種功能基團（即羥基、羧基和環(huán)氧化物基團）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，如增強在活體中的運輸能力，保護其免受蛋白酶的作用，促進電子轉移到蛋白質，以及在微芯片生物反應器和微型設備中有效整合酶。在此，我們介紹了目前在利用石墨烯納米材料進行酶固定化，為一系列生物技術應用開發(fā)強大的納米生物催化系統(tǒng)方面的進展。在總結了基于石墨烯的納米材料的工程和酶與材料的協(xié)調以提高催化性能之后，我們特別強調石墨烯和基于石墨烯的納米結構作為理想的支持基質，為多方面的生物技術應用開發(fā)多功能納米生物催化系統(tǒng)的前景。在這個快速發(fā)展的領域，我們也概述了可能的挑戰(zhàn)和基于未來的觀點。
展開 他們將葡萄糖氧化酶（GOx），乙酰膽堿酯酶（AchE）和脲酶（它們驅動生物催化轉化以改變pH值）整合到基于pH響應的基于DNA的水凝膠中。
團隊提出了由GOx/脲酶或AchE/脲酶組成的兩酶負載水凝膠和由GOx/AchE/脲酶組成的三酶負載水凝膠。水凝膠內的生物催化轉化導致要求的核酸橋的重新配置以及對各個水凝膠的剛度的可切換控制。可切換的剛度特征用于開發(fā)生物催化引導的形狀記憶和自愈基質。此外，在加載GOx/胰島素在pH響應得DNA水凝膠中會產生葡萄糖觸發(fā)的基質，以控制胰島素的釋放，從而起到人造胰腺的作用。胰島素的釋放受葡萄糖濃度的控制，因此，負載生物催化胰島素的水凝膠為控制糖尿病提供了有趣的感官和治療載體。具體過程步驟如圖1所示。
圖1 使用三種不同的生物催化劑（GOx，AchE和脲酶）和兩種不同的基序（T–A·T三鏈體和i-基序結構）作為可重構的交聯(lián)劑，對基于刺激的基于DNA的水凝膠的pH進行可逆的生物催化控制。
【圖文解析】
制備與性能
第一種刺激響應性生物催化水凝膠系統(tǒng)的制備和性能如圖2所示。聚丙烯酰胺支架PA是通過丙烯酰胺與丙烯酸酯核酸單體（1）和（2）的共聚反應制得的。通過紫外光譜對聚合物鏈上的酸（（1）+（2））進行評估，結果為1：58（DNA：丙烯酰胺）。系鏈（1）包含一個自互補序列，而系鏈（2）設計為在鏈（3）存在的情況下生成一個T–A·T三元組。在鏈（3），葡萄糖氧化酶（GOx）和脲酶的存在下，聚合物PA產生通過（1）/（1）雙鏈體和（2）/（3）/ （2）T–A·T三元組（路徑I）。另一種相關的生物催化水凝膠包括在（1）/（1）和（2）/（3）/（2）協(xié)同交聯(lián)的水凝膠中加入乙酰膽堿酯酶（AchE）和脲酶（路徑II）。水凝膠中的酶GOx，脲酶和AchE的裝載量分別對應于23、28和27個單位。
展開 近日，美國卡內基梅隆大學的Krzysztof Matyjaszewski教授課題組報道了一個快速、綠色、溫和且完全在空氣中進行原子轉移自由基聚合（ATRP）的生物催化體系---酶輔助氧驅動引發(fā)劑再生催化劑原子轉移自由基聚合（ICAR ATRP）。該生物催化體系主要由葡萄糖氧化酶（Glucose Oxidase，GOx）、辣根過氧化氫酶（Horse Radish Peroxidase，HRP）和活性銅絡合物組成。只有在氧存在條件下ATRP才能順利進行，且僅需要ppm級銅催化劑就表現(xiàn)出對聚合具有優(yōu)異的控制，從而得到高分子量和低分散性的聚合物。這種方法與生物相關環(huán)境兼容，為合成各種生物共軛物提供了一種有效途徑。
圖一是生物催化氧為燃料的ATRP的工作原理示意圖。第一步，GOx將β-D-葡萄糖和氧氣轉化為過氧化氫和葡萄糖酸鹽。第二步，HRP將過氧化氫和乙酰丙酮化合物（ACAC）轉化為相應自由基（acac*）。第三步，該自由基與單體反應生成碳基自由基，隨后將Cu(II)還原為Cu(I)進而催化ATRP。
作者通過對底物、HRP和Cu催化劑等條件進行優(yōu)化，得到一系列結果列于表一中。通過間歇式供氧實驗，證明了該方法的時間控制（如圖二）。最后成功制備了蛋白質和DNA生物共軛物（protein-b-POEOMA和DNA-b-POEOMA）,證明了該方法與生物環(huán)境的兼容性。
圖文速遞
圖2. 生物催化的氧為燃料的ATRP原理示意圖。
表1.不同條件下氧為燃料的ATRP結果
圖2.（M/I/ACAC/Cu/TPMA: 200/1/4/0.2/1）時間控制實驗的a)動力學研究、b)分子量和分散度變化和GPC曲線。
圖3.
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這一發(fā)現(xiàn)將有可能應用于光催化、生物醫(yī)學應用、顯示和光通信等多個不同領域。
一代材料一代產業(yè)，公司主要從事各類高端陶瓷材料及制品的研發(fā)、生產和銷售，形成了電子材料、催化材料、生物醫(yī)療材料、新能源材料、精密陶瓷和其他材料六大業(yè)務板塊，產品廣泛應用在電子信息和通訊、汽車及工業(yè)催化、生物醫(yī)療、新能源汽車、半導體、建筑陶瓷、太陽能光伏等領域。國瓷高導熱陶瓷基板項目公示材料顯示，項目建成后可實現(xiàn)年產氧化鋁粉體3000t，氮化鋁粉體200t，高導熱陶瓷基板200萬片。
c．CO2利用技術包括礦化、物理利用、催化、共聚、生物固定等，其中催化最具發(fā)展前途．電催化較為成熟，但其反應動力學參數、電流效率、反應體系穩(wěn)定性等仍須系統(tǒng)研究；熱催化中如何提高能效是難點；光催化無須外加能量，具有明顯優(yōu)勢，但其能量轉換效率、選擇性、光生載流子壽命、水競爭反應等有待深入研究，高性能、高選擇性、長壽命新型催化劑的開發(fā)是發(fā)展趨勢．
因此低共熔溶劑作為一種新型綠色溶劑，在礦物分選、生物質催化轉化、無機功能材料制備以及電化學等方面已經得到了廣泛的應用。而對于低共熔溶劑的分子模擬主要在于氫鍵供體與氫鍵受體相互作用。因此，運用Materials Studio軟件對于膽堿類低共熔溶劑中的氯化膽堿（ChCl）與丙二酸（MA）進行模型搭建與計算。
石墨烯納米結構被各種功能基團（即羥基、羧基和環(huán)氧化物基團）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，如增強在活體中的運輸能力，保護其免受蛋白酶的作用，促進電子轉移到蛋白質，以及在微芯片生物反應器和微型設備中有效整合酶。在此，我們介紹了目前在利用石墨烯納米材料進行酶固定化，為一系列生物技術應用開發(fā)強大的納米生物催化系統(tǒng)方面的進展。
微生物通過釋放胞外自由酶或連接在細胞外壁上的固定酶來完成生物催化反應。
酸化是一類典型的發(fā)酵過程，微生物的代謝產物主要是各種有機酸。
水解和酸化是厭氧消化過程的兩個階段，但不同的工藝水解酸化的處理目的不同。
在吸收有害氣體、生物質催化轉化、電沉積、功能材料制備等工業(yè)領域已經得到廣泛應用。
因此，本文以氯化膽堿離子對為模型，在量子力學基礎上系統(tǒng)的研究氯化膽堿離子對之間的的電子轉移和成鍵情況，從而為這種以氫鍵相結合的膽堿類離子液體更廣范應用提供理論依據。
天然的生物催化體系通常在微生物細胞這個微型工廠內會形成物理上、空間上組織有序的多酶復合體、酶分子腳手架或者反應微區(qū)，這種類似機器組裝的高度組織性帶來了高效的催化能力。
然而，人工構建的合成體系多不存在這種高效的組織性，由此引發(fā)的目標途徑合成效率低、代謝流不平衡等問題，很大程度上限制了人工合成體系的生物制造潛力。
優(yōu)化了微生物反應過程，大規(guī)模生產高純度井岡霉素，生物催化水解。新的提取和分離技術，大大節(jié)省了能源消耗和降低了排放。通過微生物發(fā)酵和吸附分離技術制備了高純度井岡霉素，整個過程已經實現(xiàn)工業(yè)化。
浙江大學首次在鏈霉菌中發(fā)現(xiàn)和鑒定了azoxy化合物的合成途徑最重要的是，發(fā)現(xiàn)N-氧化酶AzoC對azoxy鍵的合成十分重要，提供了一條綠色高效合成azoxy鍵化合物的生物方法。
