1、新型納米載體固定化酶的研究納米顆粒是有機(jī)或無(wú)機(jī)材料構(gòu)成的亞微米基團(tuán)（尺寸分布在1-100nm之間）什么是納米材料？ 自然界中的酶至少有70萬(wàn)種, 而實(shí)現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用的僅上百種。因此, 在開發(fā)利用酶資源方面, 可以說(shuō)才剛剛起步, 潛力巨大, 迫切需要克服影響酶工業(yè)化應(yīng)用的障礙, 實(shí)現(xiàn)酶的高效利用。這不僅需要使單個(gè)酶在各個(gè)體系(水相、油相、油水界面等)發(fā)揮其最高活性,而且需要實(shí)現(xiàn)酶的重復(fù)利用、實(shí)現(xiàn)多酶的協(xié)調(diào)反應(yīng)和輔酶再生。近年來(lái), 隨著納米科學(xué)和納米技術(shù)的迅速發(fā)展, 有望利用納米技術(shù)實(shí)現(xiàn)上述關(guān)鍵技術(shù)的突破。1.理想載體材料應(yīng)具備哪些特點(diǎn)？2.決定酶催化特性的因素有哪些？主要內(nèi)容介紹納米載體固定化酶2.

2、納米載體固定化酶的方法1.酶納米載體的種類（磁性納米粒子用于固定化酶的研究）3.納米載體的特點(diǎn)及納米載體固定對(duì)酶性質(zhì)的影響4.納米酶催化劑的優(yōu)點(diǎn)及納米技術(shù)在酶催化應(yīng)用中的進(jìn)展5.納米載體固定化酶的應(yīng)用與挑戰(zhàn)一、酶納米載體的種類金屬納米載體有機(jī)納米載體非金屬無(wú)機(jī)納米載體復(fù)合物納米載體酶納米載體（按材料性質(zhì)分）顆粒型納米載體使用得較為廣泛磁性納米粒子用于固定化酶的研究磁性粒子是一類新型的固定化酶載體材料，具有生物相容性好和固定化酶易從反應(yīng)混合物中回收等優(yōu)點(diǎn)。無(wú)機(jī)磁性納米粒子應(yīng)用較多的是 。 此類載體的核心由磁性納米顆粒組成，外面包被有一層有機(jī)或無(wú)機(jī)分子的殼，通過(guò)這種表面修飾的方法可以在載體表面引入

3、多種反應(yīng)性功能基團(tuán)（如羥基、氨基、巰基等），因此該載體可以連接酶、抗體、核酸等生物分子，已被廣泛地用于生物學(xué)和醫(yī)學(xué)研究。1.決定磁性納米顆粒的磁學(xué)性能的兩關(guān)鍵因素小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)尺寸效應(yīng)當(dāng)納米顆粒小于單磁疇臨界尺寸時(shí)，止血顆粒能分散的最好；表面效應(yīng)顆粒粒徑達(dá)到納米級(jí)時(shí)，其具有巨大的相對(duì)表面積，也使大部分原子都處于顆粒表面，致使其具有更高的表面活性。磁性納米顆粒具有較大的表面原子/體內(nèi)原子比，其表面自旋會(huì)顯著影響磁化能力。2.磁性納米的表面修飾在利用磁性Fe3O4納米顆粒作為固定化酶載體前必須對(duì)其提供適當(dāng)?shù)谋砻姘缓陀行У谋Ｗo(hù)措施以保持它的穩(wěn)定性，并可以引入各種功能基團(tuán)以滿足特定的應(yīng)用環(huán)境。

4、該方法主要包括利用有機(jī)分子、聚合物、生物分子、無(wú)機(jī)分子嫁接，包被Fe3O4納米顆粒。Fe3O4表面修飾的材料和方法材料方法作用表面活性劑和聚合物化學(xué)鍵合、物理吸附鈍化納米顆粒表面從而避免顆粒的團(tuán)聚貴金屬微乳液、氧化還原防止磁性納米顆粒的核被氧化二氧化硅Stober法、溶膠-凝膠法、氣溶膠高溫分解法保持其穩(wěn)定性，避免顆粒的團(tuán)聚；該顆粒具有良好的生物相容性、水溶性、穩(wěn)定性；硅包被標(biāo)語(yǔ)在顆粒表面偶聯(lián)各種生物分子且能防止連接在其表面的配體與磁性核的直接接觸而發(fā)生不必要的發(fā)硬；硅包被可維持其物理特性碳電弧放電法、激光消融法、電子照射法、化學(xué)氣象沉積法碳具良好的化學(xué)穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性和生物相容性比傳統(tǒng)包被材

5、料更具優(yōu)勢(shì)，但如何得到單分散性的復(fù)合物顆粒依然是一項(xiàng)挑戰(zhàn)3.應(yīng)用：磁性生物分離和檢測(cè)；臨床診斷和治療；藥物靶向運(yùn)輸；固定化酶載體二、納米載體固定酶的方法吸附法： 將制備好的納米顆?；蚱渌{米載體直接加入含有一定濃度酶液的緩沖溶液，在合適條件下納米載體可以通過(guò)靜電作用或與氨基酸殘基側(cè)鏈基團(tuán)之間的特異性結(jié)合而將酶分子牢固吸附到納米載體表面, 如金特異性地結(jié)合氨基酸殘基側(cè)鏈的巰基和氨基; 鎳離子特異性地結(jié)合蛋白質(zhì)末端的多聚組氨酸“尾巴”?！緝?yōu)點(diǎn)】操作簡(jiǎn)單, 是目前應(yīng)用得較為廣泛的一種固定化方法, 尤其是用于各種酶?jìng)鞲衅鞯闹苽?。用納米材料制備的各種酶?jìng)鞲衅? 能顯著提高生物傳感器的檢測(cè)極限, 增強(qiáng)檢測(cè)

6、的特異性, 縮短電極響應(yīng)時(shí)間。包埋法將酶與聚合物單體在一定的條件下混合, 聚合物單體之間發(fā)生聚合交聯(lián)的過(guò)程，就可以將酶分子固定到高分子聚合物中; 或者是將酶分子包裹在多孔的單分子膜中, 形成微膠囊型納米顆粒?！緝?yōu)點(diǎn)】包埋效率高；固定化穩(wěn)定性好，酶分子與納米載體不易解體分離,；對(duì)酶結(jié)構(gòu)的完整性也沒(méi)有顯著的影響,；酶的半衰期長(zhǎng)達(dá)143 天共價(jià)結(jié)合法：酶和納米載體以共價(jià)鍵的形式結(jié)合在一起, 這種方法需要酶和載體都具有氨基、羧基或羥基等官能團(tuán)。1）直接結(jié)合法納米載體必須攜帶有能與氨基酸側(cè)鏈基團(tuán)發(fā)生反應(yīng)的相應(yīng)基團(tuán), 如C60的各種衍生物就可以直接固定各種酶蛋白;2）間接結(jié)合法間接法是先在納米載體顆粒的表

7、面包被上一層攜帶有活性基團(tuán)的聚合，或者先將納米顆粒用具有活性基團(tuán)的材料膠囊化, 然后再與酶分子共價(jià)連接?！緝?yōu)點(diǎn)】能有效地防止酶與載體的解離, 從而防止酶的丟失; 并且有助于防止酶的變性, 增強(qiáng)其穩(wěn)定性。【缺點(diǎn)】反應(yīng)過(guò)程中酶的活性位點(diǎn)被隱藏或限制了活性位點(diǎn)與底物的結(jié)合, 將不可避免地導(dǎo)致酶活性一定程度的降低。三、納米載體的特點(diǎn)及納米載體固定對(duì)酶性質(zhì)的影響（一）特點(diǎn)：表面積大、體積?。槐砻孀杂赡芨?；易于將酶與底物和產(chǎn)物分離；提高酶的生物相容性、免疫活性和穩(wěn)定性。（二）對(duì)酶性質(zhì)的影響： 1.對(duì)酶活力和穩(wěn)定性的影響與傳統(tǒng)材料相比，納米結(jié)構(gòu)能使酶在不同體系長(zhǎng)期保持活性穩(wěn)定,2.對(duì)酶特異性的影響納米材料巨

8、大的比表面積、充足的表面功能化基團(tuán), 尤其是單層受保護(hù)的納米粒子, 會(huì)使酶活力提高很多。Eg：在空間位阻和靜電的共同作用下, 結(jié)合在表面用烷基硫醇- 四( 乙二醇) 乙酸單分子膜功能化的納米金顆粒表面的- 胰凝乳蛋白酶,表現(xiàn)出了很明顯的化學(xué)選擇性: 對(duì)攜帶正電荷的底物表現(xiàn)出很強(qiáng)的親和性, 有較高的催化活力; 對(duì)攜帶負(fù)電荷的底物僅表現(xiàn)很低的親和力和催化活力; 對(duì)中性底物的親和力和催化能力居中。3.對(duì)酶結(jié)構(gòu)和功能的影響一般來(lái)說(shuō), 納米材料固定化對(duì)酶結(jié)構(gòu)和功能基本上沒(méi)有太大的影響, 都能夠保持其完整性; 有些可以通過(guò)在納米材料表面偶聯(lián)一些特異性的配體, 調(diào)控酶的結(jié)構(gòu)和功能四、納米酶催化劑的優(yōu)點(diǎn)及納米

9、技術(shù)在酶催化應(yīng)用中的進(jìn)展。（一）納米酶催化劑的優(yōu)點(diǎn)：降低酶固定化時(shí)的變構(gòu), 保持酶的穩(wěn)定性；納米顆粒的布朗運(yùn)動(dòng)使納米固定化酶和底物頻繁碰撞, 大幅度提高催化效率，且納米結(jié) 構(gòu)提高水相、有機(jī)相、油-水界面的催化效率；使伴隨輔酶再生的多酶催化體系成為可能；微反應(yīng)器的設(shè)計(jì)使納米酶的回收利用成為可能, 將帶來(lái)更大的工業(yè)應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。（二）、納米技術(shù)在酶催化應(yīng)用中的進(jìn)展納米技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)酶的穩(wěn)定固定化 .納米顆粒的尺寸對(duì)酶的固定結(jié)構(gòu)有很大影響粒徑越小，顆粒表面的曲率越大，酶與顆粒表面的接觸面積越小，就不容易使酶變構(gòu)失活。 .納米顆粒顯示了顯著的尺寸效應(yīng)顆粒越小, 布朗運(yùn)動(dòng)速率提高, 和底物的碰撞頻率迅速提高,

10、 從而提高了催化效率。 .納米凝膠的柔性微環(huán)境能使酶發(fā)生柔性變化，從而和底物更好地結(jié)合；同時(shí)由于是納米尺寸，底物很容易從外擴(kuò)散到酶附近?？梢哉J(rèn)為，納米顆粒對(duì)酶的活性保持有利于我們進(jìn)一步了解細(xì)胞內(nèi)納微結(jié)構(gòu)和環(huán)境對(duì)酶活性的影響，為設(shè)計(jì)仿生材料和環(huán)境提供新思路。2.納米技術(shù)能夠保持酶在有機(jī)相中的穩(wěn)定性 .由于限制了酶變構(gòu), 因此固定化酶在有機(jī)溶劑中仍能保持高的活性； .納米孔也對(duì)酶結(jié)構(gòu)有很好的穩(wěn)定作用 。與平坦的表面相比, 納米孔的高曲率能夠有效地維持酶的結(jié)構(gòu), 使酶得到穩(wěn)定固定化, 從而保持高的酶催化活性。（A: 由于酶和納米孔的表面曲率相似而能實(shí)現(xiàn)多鍵結(jié)合; B: 酶與平面載體以單鍵結(jié)合）（圖）

11、納米孔穩(wěn)定納米酶示意圖3.納米技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)油-水界面催化酶應(yīng)存在于相界面才能高效地實(shí)現(xiàn)催化; 而一般酶往往是溶于水相或油相。 .利用疏水性高分子材料(如聚苯乙烯)修飾水溶性酶, 通過(guò)合理設(shè)計(jì)聚苯乙烯的分子量, 可以獲得兩親性的酶, 該兩親性酶能自組裝于油-水界面, 減少反應(yīng)傳質(zhì)阻力，提高界面自組裝酶的催化活性。 .疏水性納米材料的固相界面能使酶在油-水界面更加穩(wěn)定。（圖） 單壁碳納管修飾的大豆過(guò)氧化物酶( )和天然酶( )在油水兩相中的穩(wěn)定性4.納米技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)多酶催化反應(yīng)體系的構(gòu)建目前, 在工業(yè)上獲得應(yīng)用的基本為單酶體系。有很多反應(yīng)體系需要同時(shí)使用酶和輔酶, 而輔酶往往非常昂貴, 如果不能使

12、其再生, 則難以在實(shí)際生產(chǎn)中獲得應(yīng)用。現(xiàn)用的兩種方法： .將兩種酶與輔酶共同固定在納米孔內(nèi), 輔酶在兩種酶之間穿梭, 一種酶與輔酶的還原態(tài)共催化生成產(chǎn)物1, 另一種酶則與輔酶的氧化態(tài)共催化生成產(chǎn)物2 。這種設(shè)計(jì)不僅實(shí)現(xiàn)了輔酶再生, 而且可以同時(shí)獲得兩種重要產(chǎn)品。由于納米孔尺度小, 輔酶依靠熱振動(dòng)就能在兩種酶之間穿梭。同時(shí), 納米孔還能使酶穩(wěn)定 .多酶體系也可以利用納米顆粒來(lái)實(shí)現(xiàn), 將分別固定了酶和輔酶的納米顆?；旌? 依靠納米顆粒的布朗運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)酶和輔酶的共催化以及輔酶再生。（圖） 包括輔酶再生的納微結(jié)構(gòu)多酶催化體系設(shè)計(jì)?！?左)酶-輔酶通過(guò)由布朗運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)的納米粒子之間的碰撞發(fā)生相互作用并催化生物轉(zhuǎn)化反應(yīng); (右)納米粒子被包埋在多孔微膠囊的內(nèi)部形成微反應(yīng)器, 既能保證底物與產(chǎn)物的自由出入, 又避免直接利用納米粒子所帶來(lái)的催化劑回收利用困難的問(wèn)題。這樣的催化體系可靈活應(yīng)用于諸如固定床和懸浮攪拌反應(yīng)器中, 適于工業(yè)放大生產(chǎn)過(guò)程】五、納米載體固定化酶的應(yīng)用與待解決的問(wèn)