弱磁性铁酶复合物的仿生构建及应用

论文摘要

酶是具有高效性和高选择性的生物催化剂,可应用于生物药物、生物燃料开发、农业等领域。固定化酶技术可有效解决酶难以回收及酶蛋白稳定性差的问题,但惰性载体的存在导致工业生产反应器空间及能源浪费、催化过程中酶活性位点被载体掩蔽的问题。本文将磁性铁核在温和条件下于酶蛋白内原位生成,采用磁分离技术实现铁酶复合物的有效分离,单位质量载体负载酶量显著提高,以实现酶蛋白在催化过程以游离状态存在,在分离过程以固定化状态存在,实现高效催化及分离。首先,受生物粘合启发,利用多巴胺与铁原子的配位反应,在温合条件下于酶蛋白表面原位生成磁性铁核,合成了弱磁性铁酶复合物。探索制备条件、前驱体种类及浓度等对铁酶复合物材料的微观形态、磁性及单位质量载体负载酶量的作用规律。结果表明,前驱体浓度及种类对铁酶复合物的形貌、粒径大小没有影响,对铁酶复合物中铁元素存在的晶型没有影响;铁氧化物与多巴胺形成了配位反应,生成了具有磁性的铁酶复合物;铁酶复合物可以达到的最大磁化量随着前驱体浓度的增加而增大,相同制备条件下,三价铁前驱体制备的铁酶复合物磁化量高于二价铁前驱体制备的铁酶复合物。在优化条件下铁酶复合物的饱和磁化通量为0.44 emu/g,酶蛋白在复合物中所占比例为61.68%,所获得弱磁性铁酶复合物可在超导磁场中进行分离。其次,为了提高铁酶复合物的应用范围,我们进一步调控磁核结晶过程,以期提高铁酶复合物的磁性。本部分采用弱碱性物质诱导磁核结晶的方式,探索弱碱性诱导物质、铁前驱体种类及浓度等对铁酶复合物材料的微观形态、磁性及单位质量载体负载酶量的作用规律。结果表明,弱碱性物质诱导调控对铁酶复合物微观形貌无显著作用,但可显著提高其磁性。通过磁性增强,铁元素无化合价状态变化,但显著提高了铁酶复合物的铁元素含量。通过对磁性增强过程中酶蛋白的构象变化研究,表明相比于三价铁前驱体,二价铁前驱体更易保持酶蛋白的原始构象。在优化条件下铁酶复合物的饱和磁化通量为0.72 emu/g,酶蛋白在复合物中所占比例为48.96%,所获得弱磁性铁酶复合物可在钕铁硼强磁铁磁场中实现分离。最后,以纤维素酶为模型进行铁酶复合物的应用研究。结果表明,所制得的铁酶复合物可在20-70℃范围的温度下改善游离酶活性,对pH的耐受范围也比游离酶更宽。与游离纤维素酶相比,铁酶复合物具有更好的机械稳定性及对环境的耐受能力。铁酶复合物在重复使用5次以后相对酶活在60%以上,重复使用9次以后相对酶活在30%以上,证明铁酶复合物具有良好的重复使用性。

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摘要

ABSTRACT

1 前言

1.1 酶催化与固定化酶

1.1.1 酶催化

1.1.2 固定化酶方法和固定化酶载体

1.2 磁性材料及其在酶领域的应用

1.2.1 磁性载体简介

1.2.2 弱磁性物质和超导磁分离

1.2.3 磁性材料在固定化酶领域的应用现状

1.3 仿生粘合剂和多巴胺水相反应

1.3.1 仿生粘合剂

1.3.2 多巴胺水相聚合反应

1.4 本课题研究思路和研究内容

2 弱磁性铁酶复合物的制备及表征

2.1 引言

2.2 实验材料与设备

2.2.1 实验试剂

2.2.2 仪器设备

2.3 实验方法

2.3.1 弱磁性铁酶复合物的制备及表征

2.3.2 铁前驱体种类对弱磁性铁酶复合物的影响

2.3.3 铁前驱体添加量对弱磁性铁酶复合物的影响

2.3.4 铁酶复合物负载牛血清蛋白

2.4 结果与讨论

2.4.1 前驱体对铁酶复合物微观性能影响研究

2.4.2 前驱体对铁酶复合物中铁元素存在形式影响研究

2.4.3 弱磁性铁酶复合物结构分析

2.4.4 前驱体对铁酶复合物磁性性能影响研究

2.4.5 铁酶复合物对蛋白负载性能影响研究

2.5 本章小结

3 弱磁性铁酶复合物的磁性增强研究

3.1 引言

3.2 实验材料与设备

3.2.1 实验试剂

3.2.2 仪器设备

3.3 实验方法

3.3.1 磁性增强下弱磁性铁酶复合物的制备及表征

3.3.2 种类铁前驱体弱磁性铁酶复合物的制备

3.3.3 浓度铁前驱体添加量弱磁性铁酶复合物的制备

3.3.4 铁酶复合物负载牛血清蛋白

3.4 结果与讨论

3.4.1 磁性增强对铁酶复合物微观性能影响研究

3.4.2 磁性增强对铁酶复合物中铁元素存在形式影响研究

3.4.3 磁性增强对铁酶复合物中铁元素含量影响研究

3.4.4 磁性增强对铁酶复合物中蛋白构象影响研究

3.4.5 磁性增强对铁酶复合物磁性性能影响研究

3.4.6 铁酶复合物对蛋白负载性能影响研究

3.5 本章小结

4 铁酶复合物催化应用性能研究

4.1 引言

4.2 实验材料与设备

4.2.1 实验试剂

4.2.2 仪器设备

4.3 实验方法

4.3.1 纤维素酶活性的测定

4.3.2 铁酶复合物活性测定

4.4 结果与讨论

4.4.1 D-半乳糖浓度标准曲线

4.4.2 铁酶复合物活性

4.5 本章小结

5 结论

6 展望

7 参考文献

8 攻读硕士学位期间发表论文情况

9 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 郭小芳

导师: 张蕾,刘立平

关键词: 铁酶复合物,弱磁性复合物,仿生粘合,酶催化

来源: 天津科技大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑

专业: 生物学,有机化工

单位: 天津科技大学

基金: 国家自然科学基金

分类号: TQ426.97;Q811

DOI: 10.27359/d.cnki.gtqgu.2019.000418

总页数: 84

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