一种金属锚定酶及其制备方法技术

本发明专利技术属于生物技术领域，具体涉及一种金属锚定酶及其制备方法。本发明专利技术提供一种金属锚定酶，其中金属以单原子形式负载在酶上，催化活性高、易于回收，多次循环后还能保持较好的酶活性和金属催化活性。本发明专利技术进一步提供了金属锚定酶的通用合成方法，具体为金属以单原子形成通过共价键或者配位键与酶分子或者酶

【技术实现步骤摘要】
一种金属锚定酶及其制备方法


[0001]本专利技术属于生物
，具体涉及一种金属锚定酶及其制备方法。

技术介绍

[0002]酶是一种重要的生物催化剂，具有高效、高立体选择性等优点。但由于酶催化具有专一性，大多数酶仅能催化一个类型的反应。一般化合物的生物合成需要使用酶与化学偶联或多个酶的组合进行多步催化反应。而这些多步反应普遍存在着反应效率低下、耗费催化剂量多、耗能耗时等问题。理性设计和构建新型酶可以使酶催化非自然反应，使其拥有新的催化活性。为了解决以上问题，当前的研究主要集中于酶的定向进化和人工金属酶(Artificial metalloenzyme)的开发。据文献(P.Dydio,H.M.Key,A.Nazarenko,et al.Science,2016,354,102
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106.)报道，Dydio等通过将P450酶中的铁原子替换成铱原子构建人工金属酶，使其具有催化非天然反应的活性。然而，酶的定向进化和人工金属酶仅通过改造酶的天然活性位点，难以创造新的活性位点。
[0003]通过在酶分子表面原位合成金属纳米颗粒构建的金属
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酶复合物，使其同时具有酶和金属催化活性。金属
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酶复合物的一般合成方法为：首先，金属离子与酶混合，附着在酶表面的金属离子通过外加还原剂进一步还原为金属纳米颗粒。据文献(M.Filice,M.Marciello,et al.Chem.Commun.2013,49,6876
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6878.)报道，Filice等以脂肪酶表面还原性氨基酸和甲醇为还原剂，在脂肪酶表面原位还原了钯纳米颗粒。据文献(T.K.P.J.Gustafson,O.Verho,et al.ACS Catal.2017,7,1601
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1605.)报道，等利用脂肪酶聚集体表面氨基酸与钯离子配位结合，通过硼氢化钠还原将钯离子原位转化为钯纳米颗粒。然而，由于酶对金属颗粒表面的不完全包覆，以及酶与金属原子之间的作用力较弱，仅以酶为模板通过原位还原法不能合成金属单原子催化剂。
[0004]由于酶本身由大量的氨基酸缩合而成，也存在大量的氨基酸残基，当酶和金属离子同时存在于同一反应体系中时，酶本身的氨基酸、羧基、巯基等，很容易和金属离子形成配位键或者直接形成沉淀，使酶本身的空间结构发生变化，这种空间结构的变化会使酶的活性降低，甚至变性失活，从相关技术中也可以看到酶和金属复合使用时，一般是使金属形成纳米级别的颗粒，包覆在酶的空间结构中，或者直接将酶和金属纳米颗粒进行简单的混合，这样的金属
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酶复合物或者复合使用的方法循环使用程度不高，催化能力相对较弱，复合使用的成本较高，不适合工业化使用。
[0005]中国专利申请CN 109529945A公开了一种高分子
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酶
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金属复合纳米催化剂及其可控合成方法，所述复合物由高分子化合物、酶、金属盐制备而成，是一种限域于高分子
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酶结合物内的金属纳米颗粒复合催化剂，其制备步骤包括高分子
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酶结合物的构建和金属离子在单个高分子
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酶结合物内部原位还原两个部分，可有效控制合成过程中金属颗粒的尺寸，防止聚集，实现高活性的极小金属纳米颗粒的可控制备，同时该催化剂在水溶液及常规有机溶剂中形成纳米级分散，有利于保持其在反应过程中的酶催化活性和金属催化剂活性，同时，该催化剂在常见有机溶剂中具有温度响应特性，在低温下可通过简单的离心分离，多
次重复使用。虽然所述复合物同时具有酶和金属催化活性，但是所述复合物总的金属是以纳米颗粒的形式负载在酶上，催化活性相对较低，重复使用时催化活性下降较快。

技术实现思路

[0006]本专利技术为了解决相关技术中酶和金属催化剂复合使用不兼容以及为实现酶的非活性位点改造以使其同时催化不同类型的反应或实现酶与金属单原子的协同催化，提供一种金属锚定酶。
[0007]一种金属锚定酶，其中金属以单原子形式负载在酶上。
[0008]进一步地，所述金属锚定酶同时保留酶本身的催化活性和金属催化活性。
[0009]进一步地，所述金属锚定酶中酶和金属的比例为1
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20：0.1
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10。
[0010]进一步地，所述金属的负载量为0.1
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10wt％。
[0011]进一步地，所述金属的负载量为1
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10wt％
[0012]进一步地，所述金属锚定酶的尺寸为2
‑
500nm。
[0013]进一步地，所述酶选自南极假丝酵母脂肪酶B、漆酶、过氧化氢酶、猪胰脂肪酶、褶皱假丝酵母脂肪酶、米黑根毛霉脂肪酶、疏棉状嗜热丝孢菌脂肪酶、细胞色素C、葡萄糖氧化酶、辣根过氧化物酶、酿酒酵母乙醇脱氢酶、马肝醇脱氢酶、乙醛脱氢酶、酮还原酶、甲酸脱氢酶和甲醛脱氢酶中的至少一种。
[0014]进一步地，所述金属为离子形式下可形成配位键的金属。
[0015]进一步地，所述金属选自钯、金、银、钌、铂、铁、铜、钴、镍、锰、锌、钒、钛、钪、铑、锶、镉、锆、铟、锡、镝、和碲中的至少一种。
[0016]进一步地，所述金属离子来源选自醋酸钯、四氯合钯酸、氯化钯、硝酸钯、氯金酸、氯化金、硝酸银、氟化银、醋酸银、三氯化钌、氯铂酸、四氯合铂酸钾、六氯合铂酸钾、氯化铂、氯化亚铁、醋酸亚铁、氯化铁、氯化铜、氯化钴、氯化镍、氯化锰、硝酸锌、醋酸锌、氯化锌、三氯化钒、四氯化钛、硝酸钪、氯化钪、氯化铑、氯化锶、氯化镉、氯化锆、氯化铟、四氯化锡、氯化镝和四氯化碲中的至少一种；
[0017]进一步地，所述酶是自由酶或经过人工修饰仍具有酶本身催化活性的人工修饰酶。
[0018]进一步地，所述人工修饰包括：
[0019]1)将含羧基的材料通过酰胺化反应和酶形成酰胺；或
[0020]2)将含羰基的材料通过还原胺化反应和酶形成C
‑
N键连接；或
[0021]3)将含氨基的材料通过戊二醛交联反应和酶形成N
‑
C
‑
R
‑
C
‑
N键连接；或
[0022]4)将含芳香氨基羟基的材料通过重氮法和酶形成N
‑
Ar键连接；或
[0023]5)将含羟基的材料通过溴化氰法和酶形成O
‑
C＝N
‑
N键连接；或
[0024]6)将含巯基的材料通过巯基
‑
二巯基交换反应和酶形成S
‑
S键连接；或
[0025]7)将聚丙烯酰胺、聚苯乙烯、乙烯马来酸共聚体、聚乙烯吡咯烷酮、透明质酸、聚丙烯酸钠、聚赖氨酸、海藻酸钙、聚磷酸钠、聚甲基丙烯酸、聚乙烯丙烯酸甲酯和乙烯
‑
顺丁烯酸酐共聚物中的至少一种通过静电作用与酶结合。
[0026]进一步地，所述材料为可形成还原性自由基的材料或可本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种金属锚定酶，其中金属以单原子形式负载在酶上。2.根据权利要求1所述的金属锚定酶，其特征在于，所述金属锚定酶同时保留酶本身的催化活性和金属催化活性。3.根据权利要求1所述的金属锚定酶，其特征在于，所述金属的负载量为0.1
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10wt％；优选地，所述金属的负载量为1
‑
10wt％。4.根据权利要求1所述的金属锚定酶，其特征在于，所述金属锚定酶的尺寸为2
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500nm。5.根据权利要求1所述的金属锚定酶，其特征在于，所述酶选自南极假丝酵母脂肪酶B、漆酶、过氧化氢酶、猪胰脂肪酶、褶皱假丝酵母脂肪酶、米黑根毛霉脂肪酶、疏棉状嗜热丝孢菌脂肪酶、细胞色素C、葡萄糖氧化酶、辣根过氧化物酶、酿酒酵母乙醇脱氢酶、马肝醇脱氢酶、乙醛脱氢酶、酮还原酶、甲酸脱氢酶和甲醛脱氢酶中的至少一种。6.根据权利要求1所述的金属锚定酶，其特征在于，所述金属为离子形式下可形成配位键的金属；优选地，所述金属选自钯、金、银、钌、铂、铁、铜、钴、镍、锰、锌、钒、钛、钪、铑、锶、镉、锆、铟、锡、镝、和碲中的至少一种。7.根据权利要求6所述的金属锚定酶，其特征在于，所述金属离子来源选自醋酸钯、四氯合钯酸、氯化钯、硝酸钯、氯金酸、氯化金、硝酸银、氟化银、醋酸银、三氯化钌、氯铂酸、四氯合铂酸钾、六氯合铂酸钾、氯化铂、氯化亚铁、醋酸亚铁、氯化铁、氯化铜、氯化钴、氯化镍、氯化锰、硝酸锌、醋酸锌、氯化锌、三氯化钒、四氯化钛、硝酸钪、氯化钪、氯化铑、氯化锶、氯化镉、氯化锆、氯化铟、四氯化锡、氯化镝和四氯化碲中的至少一种。8.根据权利要求1
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7任一项所述的金属锚定酶，其特征在于，所述酶是自由酶或经过人工修饰仍具有酶本身催化活性的人工修饰酶；所述人工修饰包括：1)将含羧基的材料通过酰胺化反应和酶形成酰胺；或2)将含羰基的材料通过还原胺化反应和酶形成C
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N键连接；或3)将含氨基的材料通过戊二醛交联反应和酶形成N
‑
C
‑
R
‑
C
‑
N键连接；或4)将含芳香氨基羟基的材料通过重氮法和酶形成N
‑
Ar键连接；或5)将含羟基的材料通过溴化氰法和酶形成O
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C＝N
‑
N键连接；或6)将含巯基的材料通过巯基
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二巯基交换反应和酶形成S
‑
S键连接；或7)将聚丙烯酰胺、聚苯乙烯、乙烯马来酸共聚体、聚乙烯吡咯烷酮、透明质酸、聚丙烯酸钠、聚赖氨酸、海藻酸钙、聚磷酸钠、聚甲基丙烯酸、聚乙烯丙烯酸甲酯和乙烯
‑
顺丁烯酸酐共聚物中的至少一种通过静电作用与酶结合。9.根据权利要求8所述的金属锚定酶，其特征在于，所述材料为可形成还原性自由基的材料或可与金属离子形成稳定配位结构的材料。10.根据权利要求9所述的金属锚定酶，其特征在于，所述可形成还原性自由基的材料选自聚乙二醇、聚氧乙烯
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聚氧丙烯
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聚氧乙烯的聚醚类嵌段共聚物、聚异丙基丙烯酰胺、羧甲基纤维素、纤维素、葡聚糖和琼脂中的至少一种。11.根据权利要求9所述的金属锚定酶，其特征在于，所述可与金属离子形成稳定配位结构的材料选自半胱氨酸衍生物、多糖类衍生物、芳香氨基衍生物、咪唑类高分子化合物、氨基酸的共聚物、聚丙烯酰胺、聚苯乙烯、乙烯马来酸共聚体、聚乙烯吡咯烷酮、透明质酸、
聚丙烯酸钠、聚赖氨酸、海藻酸钙、聚磷酸钠、聚甲基丙烯酸、聚乙烯丙烯酸甲酯和乙烯
‑
顺丁烯酸酐共聚物中的至少一种。12.一种如权利要求1
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11任一项所述的金属锚定酶，所述酶和金属之间以共价键形式连接，所述共价键包括C
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金属、O
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金属、S
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金属和N
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金属键中的至少一种。13.一种金属锚定酶的制备方法，包括酶和金属离子在光催化条件下形成共价键的反应过程，所述光催化反应步骤包括：将酶、金属离子和光引发剂在光引发下形成酶
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金属共价键。14.根据权利要求13所述的制备方法，其特征在于，所述酶
‑
金属共价键包括C
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金属、O
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金属共价键。15.根据权利要求13所述的制备方法，其特征在于，所述光引发剂选自夺氢型光引发剂；优选地，所述光引发剂选自二苯甲酮、米氏酮、聚氨酯型大分子二苯甲酮、异丙基硫杂蒽酮、氯代丙氧基硫杂蒽酮和2
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乙基蒽醌中的至少一种。16.根据权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：戈钧，黎晓阳，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：