华东理工大学王俊有课题组Biomacromolecules：静电介导的原位聚合固定化酶策略助力酶催化

以下文章来源于ACS材料X ，作者ACS Publications

英文原题：Electrostatically Mediated In Situ Polymerization for Enzyme Immobilization and Activation

通讯作者：王俊有，华东理工大学

作者：Yuting Wan(万雨婷)，Jin Zhou(周瑾)， Jiaying Ni(倪佳莹)，Ying Cai(蔡颖)，Martien Cohen Stuart，Junyou Wang (王俊有)

背景介绍

酶是促进生物转化的重要大分子之一。酶促反应转化率高、选择性好且条件温和，因此在绿色制造和生物医药等领域具有广阔的应用前景。然而，酶的结构敏感，容易受温度、pH等外部因素影响而失活，限制了其生物催化和诊疗应用。发展酶的固定化技术和载体是解决上述应用限制的有效策略。其中，在酶存在的前提下实施原位聚合可以制备结构和性能可控的载酶纳米粒子，是一种有效的固定化方法。为实施原位聚合，研究者需要通过化学修饰或物理吸附的方式，将双键或单体锚定在酶的表面，再进一步引发单体与交联剂共聚形成载酶粒子。该过程虽然能够实现酶的高效负载，但往往也会导致不同程度的酶活损失。因此，原位聚合体系中，协同调控酶的负载和催化活性依然存在挑战。

文章亮点

利用酶的电荷特性，该工作发展了一种静电作用介导的原位聚合方法，在固定化酶的同时提升了酶的催化活性。具体来讲，作者以带负电的脂肪酶为模板，在水相中利用可见光引发阳离子单体与交联剂共聚合，制备了载酶纳米凝胶（图1）。作者系统探究了pH、酶浓度、交联度、盐浓度以及单体结构等反应条件对酶的负载和活性影响。研究发现，该聚合体系条件温和，能够很好地保持酶的结构。同时，交联形成的阳离子聚合物网络构筑了一个友好的微环境，提高了酶的表观催化活性。同游离的脂肪酶相比，阳离子纳米凝胶负载的酶活性提高了近2倍。同时，阳离子纳米凝胶还大大提高了脂肪酶的稳定性，在较宽的pH（5.5–8.5）和温度（25–70°C）范围内都展现出良好的催化活性，并且经6次循环后仍保持了近70%的催化活性。该工作建立的原位聚合方法，通用于不同的阳离子单体，且形成的一系列纳米凝胶中，除PVBTMA以外, 均实现了对脂肪酶的负载和活性优化。

图1. （a）静电介导的原位聚合制备载酶阳离子纳米凝胶。（b）不同的阳离子单体和（c）交联剂结构。

图文解读

利用激光光散射技术，作者首先研究了PDMAEMA纳米凝胶的形成和载酶过程。由于脂肪酶和DMAEMA单体的pKa 分别为3.8和8.4，当pH值为6.5时，二者分别带有正、负电荷，因此可通过静电相互作用实现单体在酶表面的富集。接着，作者对比研究了有无交联剂（MBA）条件下的聚合过程。结果表明，交联剂的存在与否不影响单体的聚合，二者均形成了粒径均一的纳米粒子（图2a、2b），但交联剂的存在大大提高了载酶纳米凝胶的盐稳定性。如图2c所示，未交联的纳米粒子在加入盐后彻底解离，而交联后的纳米粒子在高盐浓度下仍能保持稳定的结构，纯化后获得了粒径约为120 nm的载酶纳米凝胶，其形貌通过透射电子显微镜得到了进一步确认（图2d）。基于硝基苯丁酸酯的水解反应，作者发现，负载后的脂肪酶活性是游离酶的两倍（图2e），且稳定性也得到了提高。同时，该原位聚合方法具有普适性，不同的阳离子单体均可以形成粒径均一的载酶纳米凝胶，且除PVBTMA以外，其它纳米凝胶都实现了脂肪酶催化活性的提升（图2f）。

图2. (a)聚合反应前后的相对光散射强度。(b)添加和不添加交联剂条件，聚合形成粒子的流体力学半径分布。(c)向聚合后反应溶液中滴加NaCl的光散射强度变化。(d) PDMAEMA载酶纳米凝胶的透射电镜图。(e)游离脂肪酶和PDMAEMA纳米凝胶固定化的脂肪酶催化活性对比。(f)不同阳离子纳米凝胶固定化酶的效率和相对活性（定义同浓度下游离酶催化活性为100%）。

总结与展望

这项研究表明，基于静电相互作用的原位聚合为酶的固定化提供了一种新思路。这种原位聚合方法不仅实现了酶的负载和保护，同时由于阳离子聚合物与酶的络合，协同提高了酶的催化活性。离子单体种类丰富，选择性广，可以满足不同电荷属性的酶的负载，且聚电解质和酶之间的静电络合可以很好地保持酶的结构和活性。因此，该工作建立的原位聚合方法，有望发展一系列不同功能的载酶纳米粒子，为酶的催化应用开辟更广阔的道路。

通讯作者信息

王俊有，华东理工大学化工学院副教授，主要从事生物医用高分子材料合成和应用研究。聚焦于带电聚合物设计和静电组装，制备聚电解质功能载体，用于核酸和蛋白质药物的递送和疾病诊疗应用。近年来以第一或通讯作者在 Nat. Commun.、Adv. Sci.、Matter、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Funct. Mater.、CCS Chem.和Macromolecules等期刊发表论文 50余篇，授权国家发明专利10余项。

个人简介：

https://hgxy.ecust.edu.cn/2018/0104/c1270a72690/page.htm

转自：“ACS美国化学会”微信公众号

如有侵权，请联系本站删除！