基于金属有机骨架实现腈水合酶的固定化及性能评价
摘要：酶是一种高效的催化剂，在生产实际中有着广泛的应用。酶作为一种生物催化剂可以在常温、常压下参与体内的各种代谢反应，具有高选择性、催化反应条件温和、无污染等特点，而且其数量和性质不会改变。酶具有亲水性，与疏水性底物冲突；再者，通常的酶制剂是不可回收的，造成酶制剂成本昂贵；最后，受外界条件的影响，酶活性很不稳定。 为了解决上述问题，固定化酶技术被提了出来。 酶固定化技术通过物理或化学的方法将游离酶和相应载体结合起来，从而增强了酶的稳定性，利于保存运输。同时又能将酶与底物分离，达到重复利用，降低成本的目的。
关键词：腈水合酶； 固定化酶；金属有机框架材料；高重用性
一、文献综述
酶具有亲水性，与疏水性底物冲突；再者，通常的酶制剂是不可回收的，造成酶制剂成本昂贵；最后，受外界条件的影响，酶活性很不稳定。为了解决上述问题，固定化酶技术被提了出来。 酶固定化技术通过物理或化学的方法将游离酶和相应载体结合起来，从而增强了酶的稳定性，利于保存运输。同时又能将酶与底物分离，达到重复利用，降低成本的目的。固定化酶是一种酶工程的常见技术。酶将被吸附到一种惰性的低水溶性物质上即在一定空间内呈闭锁状态，能连续地进行反应。与游离酶相比，固定化酶具有以下优点：使酶在反应中被固定，从而易于从反应系统中分离，在较长时间内反复使用；反应过程易控制，有助于提高酶的稳定性；由于酶易与底物和产物分开，产物增加。Nelson和Griffin在1916年首次发现了木炭上结合的庶糖酶(invertase)仍然具有游离酶的催化活性，但系统地应用和研究始于20世纪50年代。各种固定化载体和固定化技术开始出现，在1971年美国召开的首届酶工程会议上，固定化酶被正式建议采用。
金属－有机骨架材料是无机金属寓子中也和带有芳香酸和巧的通过配位键，依靠化学自组装过程，杂化形成的具有Ｈ维网格结构的立体网络结构晶体。金属－有机骨架材料与传统的多孔材料比起来在应用上其有非常多的优势[1]。时至今日，随着人们越来越关注材料，材料的制备方法逐渐趋于完善，制备方法主要有：溶剂热法、微波法、常规溶液法、挥发法、扩散法、水热法、超声法、搅拌法[2]。
腈水合酶（Nitrile hydratase, NHase; EC 4.2.1.84）是一类含有铁离子或者钴离子的能够催化腈类化合物水合生成相应酰胺类化合物的酶。腈类化合物大多是致突变性、致死性和致癌性的物质，还会对人类健康造成许多潜在的威胁，如恶心、抽搐、昏迷、骨骼畸形、呼吸系统疾病等[3]。如图所示，生物体内的腈转化有两种途径：一条是利用腈水解酶（Nitrilase, EC 3.5.5.1）直接水解腈化合物生成羧酸和氨；另一条是首先利用腈水合酶将腈化合物水合成相应的酰胺，然后再利用酰胺酶（Amidase, EC 3.5.1.4）进一步水解生成羧酸和氨[4、5]。
1964 年，腈水解酶首次被 Mahadevan和 Thiman 在植物中发现。直到 20 世纪 80年代，腈水合酶首次被日本东京大学的的 Asano 等人在 Arthrobacter sp. J1（后被确定为 Rhodococcus rhodochrous J1 菌株）中发现，并将其命名为腈水合酶[5]。常见的固定化酶载体的材料分为天然高分子材料，如海藻酸、琼脂、壳聚糖等；合成高分子材料，如聚丙烯酰胺、聚丙烯醇、聚碳酸酯等；无机材料，如氧化硅、氧化钛、碳材料等以及有机-无机杂化材料。与其他材料相比，无机材料具有较高的机械稳定性、化学稳定性和热稳定性[6、7]。
在生物催化反应中，温度是一个非常关键的因素。不仅影响催化剂的活力和稳定性，而且还直接决定了反应液中底物和产物的溶解度、反应速率，以及反应介质的粘度等。因此，提高生物催化剂的热稳定性显得尤为重要。目前，已报道的大部分腈水合酶都表现出了热不稳定性，如30℃条件下，来源于Rhodococcus sp．R3 12和P chlororaphis B23腈水合酶保持10 min则完全失活。根据文献报道，针对腈水合酶的热稳定性总结如下：(a)目前已发现的耐热腈水合酶全部为钴型腈水合酶；(b)正丁酸可以显著提高腈水合酶的热稳定性[8]。
