IF=13.2!南京工业大学材料化学工程国家重点实验室「胡燚/年彬彬」团队《CEJ》重要成果
- 2026-06-15 23:56:13
ScienceShare ｜ 科学私享
双功能大孔树脂重构酶促微环境，实现极端溶剂中维生素E琥珀酸酯高效合成
导 读
近日，南京工业大学材料化学工程国家重点实验室胡燚/年彬彬团队于国际权威期刊《Chemical Engineering Journal》（Q1，IF: 13.2）发表题为“Tailoring the enzymatic microenvironment in bifunctional macroporous resins: Synergizing interfacial activation and structural rigidity for process-intensified biocatalysis in extreme solvents”的研究性论文。南京工业大学硕士研究生刘晴晴为第一作者，南京工业大学材料化学工程国家重点实验室、江苏省药物绿色生物制造重点实验室胡燚教授和年彬彬副教授为通讯作者。
注：最近有小伙伴反映收不到推送，因为公众号改了推送算法，现在需要加星标，多点赞/点在看，才能准时收到推送。我们免费公益推送，欢迎投稿（点击查看详情）。
背景介绍
在非水相生物催化领域，强极性溶剂（如DMSO）中酶的构象失活与疏水底物溶解度限制之间的矛盾，长期制约着绿色化学合成的发展。脂肪酶具有典型的“界面活化”特征，其活性中心通常被盖子结构域（lid）遮蔽，只有在合适的疏水界面诱导下才会打开并进入高活性构象。然而，在DMSO、DMF等强极性溶剂中，酶表面的必要水合层容易被剥夺，蛋白内部维持三维结构的相互作用也可能被破坏，导致酶分子快速失活。因此，如何在极端溶剂中同时维持脂肪酶的活性构象、结构刚性和传质效率，是非水相生物催化走向工业应用的关键问题。
针对这一问题，本研究提出了一种基于载体-酶适配的酶促微环境重构策略，通过构建氨基-烷基双功能化大孔树脂（amino-alkyl dual-functionalized macroporous resin, ADMR），精准调控Candida sp. 99-125脂肪酶（CSL）的界面活化与结构刚性。在最优-NH2/-C18比例约为4.26:1时，固定化酶CSL@ADMR的比活力达到94.48 ± 2.05 U/g，活性回收率达到78.08 ± 1.54%。机制上，表面修饰的十八烷基链（-C18）作为疏水因子，能够模拟脂质界面并稳定脂肪酶盖子区域的开放构象；高密度氨基（-NH2）则通过戊二醛介导的多点共价锚定赋予酶分子适宜的结构刚性。作为概念验证，CSL@ADMR在DMSO体系中催化维生素E和琥珀酸酐的非均相酯化反应，VES产率达到95.19 ± 1.41%；进一步在更绿色的深共熔溶剂（DES）体系中，VES产率提高至99.23 ± 0.88%，反应时间由24 h缩短至4 h，且重复使用10次后仍保持98.60 ± 1.31%的产率。本研究提出的“疏水诱导界面活化-共价锁定刚性”机制，为面向极端工业环境的固相生物催化剂设计提供了新的范式。
本文亮点
提出了一种基于载体-酶适配构型的理性设计策略，通过构建氨基-烷基双功能化大孔树脂（ADMR），实现了脂肪酶催化微环境的精准重构。
通过调控ADMR表面-NH2/-C18比例，研究获得了兼具界面活化能力和结构稳定性的最优载体微环境；在-NH2/-C18≈4.26:1时，CSL@ADMR比活力达到94.48 ± 2.05 U/g，活性回收率达到78.08 ± 1.54%。
提出了“疏水诱导界面活化-共价锁定刚性”双重机制：-C18模拟脂质界面以稳定lid开放构象，高密度-NH2通过多点共价锚定增强酶分子结构刚性，从而缓解极端溶剂诱导的构象失活。
分子动力学模拟表明，ADMR对酶分子产生有效空间限域效应，使CSL@ADMR的RMSD降低约33%，关键柔性区域RMSF最高降低约60%，并维持lid区域α-螺旋结构的稳定。
CSL@ADMR/DES催化体系展现出优异应用潜力：4 h内VES产率达到99.23 ± 0.88%，10次循环后仍保持98.60 ± 1.31%的产率。
图文赏析
图形摘要
图1 CSL@ADMR固定化工艺优化：酶添加量（A）、pH（B）、反应时间（C）和温度（D）。最终确定的固定化条件为pH 7.5、30 ℃、6 h和酶添加量120 mg/g；在该条件下，CSL@ADMR的酶负载量、比活力和活性回收率分别达到73.88 ± 0.28 mg/g、94.48 ± 2.05 U/g和78.08 ± 1.54%。
图2 AMR、ADMR和CSL@ADMR的SEM分析。长链烷基修饰未破坏大孔树脂整体形貌；固定化CSL后，载体表面变得更加粗糙，说明大量酶分子成功富集于孔道和表面。
图3 AMR、ADMR和CSL@ADMR的EDS分析。固定化后，载体表面氧元素和氮元素含量明显增加，进一步证明CSL分子被成功固定化于ADMR表面。
图4 CSL、ADMR和CSL@ADMR的热重分析。结果表明，引入长链烷基不会削弱大孔树脂本身的热稳定性；CSL@ADMR中额外的质量损失来自酶蛋白热分解，进一步验证了固定化酶的成功构建。
图5 CSL@ADMR的有机溶剂耐受性和热稳定性。与游离酶相比，CSL@ADMR在DMSO和丙酮中分别表现出7.7倍和2.4倍的耐受性提升；在60℃处理60 min后仍保留59.29%以上活性，热稳定性较游离酶提高2.8倍。
图6 CSL@ADMR在DES体系中催化VES合成的工艺优化。最佳条件为底物摩尔比1:3、温度45 ℃、固定化酶添加量10 mg/mL和反应时间4 h，最终VES产率达到99.23 ± 0.88%。
图7 CSL@ADMR/DES协同体系的重复利用性研究。放大反应后VES产率仍达到99.12 ± 1.25%，连续10次循环后产率保持在98.60 ± 1.31%，且未检测到明显蛋白泄漏，表明该体系具有良好的操作稳定性和工业应用潜力。
图8 DMSO体系中的构象动力学分析。与游离CSL相比，CSL@ADMR更快达到稳定状态，RMSD维持在约0.20 nm，lid区域α-螺旋结构在100 ns模拟过程中保持连续稳定，说明ADMR有效限制了酶分子的过度构象漂移。
图9 游离CSL和CSL@ADMR的自由能景观、活性口袋和分子对接分析。CSL@ADMR表现出更紧凑、稳定的构象，底物结合能由-6.197 kcal/mol增强至-7.896 kcal/mol，结合强度提高27.40%，说明重构后的微环境有利于形成稳定的酶-底物复合物。
胡燚
胡燚 [yì]，教授，博士生导师，南京工业大学微生物与生化药学教研室主任。国家重点研发计划项目首席科学家，获南京工业大学“名师名导百人计划”、“南工精英九思奖”、“张家港市政府奖教金”等奖励。目前主持国家重点研发计划项目、国家自然科学基金面上项目等6项，在Nature Catalysis等国际期刊发表SCI论文100余篇。主要研究方向为：(1)酶催化性能强化分子改造研究。(2)生物-化学组合催化技术在药物及其中间体、功能性营养化学品等高端精细化学品绿色合成中的应用研究。(3)酶法治理有机污染物研究。(4)过渡金属催化碳氢键官能团化研究。(5)低廉生物质资源的生物炼制。
年彬彬
年彬彬，副教授，硕士生导师，江苏省“双创计划”高层次人才科技副总，主要从事基于多重计算机辅助技术的功能脂质专用酶挖掘、理性设计、高效生物催化策略开发、酶-催化环境适配机制解析等方面的教学与科研工作。相关研究成果，以第一/通讯作者在 ANGEWANDTE CHEMIE-INTERNATIONAL EDITION, Advanced materials， ACS catalysis等国际期刊发表SCI论文60余篇，申请/授权国内外发明专利10余件，出版十四五规划教材2部，获2024年度中国轻工业联合会科学技术进步奖二等奖1项。
原文链接
https://doi.org/10.1016/j.cej.2026.178164
① 长按二维码 或 ② 点击左下角“阅读原文”
免责声明：「原创」仅代表原创编译，水平有限，仅供学术交流，本平台不主张原文的版权，如有侵权，请联系删除。文献解读或作者简历如有疏漏之处，我们深表歉意，请作者团队及时联系《科学私享》主编（微信号：scienceshare-001），我们会在第一时间进行修改或撤稿重发，感谢您的谅解！
▼ 点击专家 查阅进展 ▼
▼ 点击标题 查阅专栏 ▼
