无载体固定化酶的生物催化doc文档格式.docx
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关于载体约束不溶性酶，一个经常被提及的问题是，与基本制剂相比，其特异活性降低，但在可操作条件下可以提高其寿命和稳定性。
尽管最近有一些相关方面的显著成果（Hanefeld等，2009），但现在依然不清楚固定化酶活性和稳定性增加或减少的分子依据。
可惜的是，为优化催化性能而对酶固定化进行设计时，在很大程度依然依靠经验经验（Sheldon，2007a）。
固定化不溶性酶还有两个主的要缺点。
大量的非催化物质（大约占生物催化剂总量的90%）被应用于固定化酶反应器，但是当所采用的酶特异活性很低的时候，就可能产生很严重的问题；
此外，所采用的载体通常比要固定的酶价格更昂贵。
因此，如果将酶沉淀制成不溶性颗粒，并且能很好地保留可溶性酶的特异活性，同时能有效地应对机械应力，这样就可以获得异种生物催化剂，而由固体载体产生的难题也可已部分消除。
本文综述了无载体固定化酶方法的最新研究进展。
根据酶蛋白聚合过程中生物的识别和特异性，对所报道的的方法进行区分。
交联酶聚集体
制备固体制剂主要通过沉淀或结晶的方法。
通常与双功能试剂相连接，如戊二醛，以使得在应用中来稳定不溶物，使之处于悬浮状态。
交联酶晶体和聚集体已广泛地成功应用与生物催化。
交联酶晶体方法（CLECs），出现于20世纪60年代（Quiocho和Richards，1964），已经应用到有限几种酶上，包括核糖核酸酶A，枯草杆菌酶，羧肽酶，乙醇脱氢酶及一些脂肪酶（Cao等，2003）。
CLECs对于由加热、有机溶剂和蛋白质水解引起的变性，通常表现出良好的抗性（Sheldon，2007b）。
在某些情况下，可以通过改变结晶和交联的条件，来调节结晶大小和剩余特异活性（Margolin，1996年）。
通过鼻疽菌脂肪酶已经表明，以表面活性剂或β-环糊精为CLECs涂层，可以进一步提高酶使用寿命和操作稳定性（Rajan和Abraham，2008年）。
当前CLEC技术使用范围主要受到（纯）酶成功结晶需求的限制。
不溶性催化剂也可以在溶液中直接交联进行制备（CLEs）。
但是由此产生的酶制剂很难处理，并且具有机械不稳定性。
沉淀要求许多工艺参数的微妙平衡（蛋白质和交联剂浓度、pH值、温度、离子强度、混合等），因此通常是不可再现的（Cao等，2003）。
认识到CLECs和CLEs的局限性后，Cao等人（2000年）提出交联酶聚集体技术，并对其进行商业化（）。
原本的缩写CLEA，现在也已登记为商标名称。
CLEAs最初用于青霉素G酰化酶，随后应用于大量其他酶（如脂肪酶，蛋白酶，酰胺酶，酯酶，植酸酶，氧氰酶）。
制备CLEAs的一般程序涉及酶（微）聚集体或多酶结合体的盐诱导或溶剂诱导，然后通过化学交联得到稳定的全蛋白沉淀。
例如，硫酸铵，叔丁基酒精或聚乙二醇有助于引起青霉素G酰化酶的聚集。
同样根据所采用的特定酶要求，交联试剂也会有所不同（Mateo等，2004；
Kuba'
c等，2008），但最常用的还是戊二醛。
CLEAs很适合于有机溶剂中的生物催化（Cao等，2000）。
两种或更多的酶原则上可以共同聚合，形成所谓的CLEAs化合物（Mateo等，2006）。
含有果胶酶、木聚糖酶和纤维素酶活性的CLEAs化合物制剂便是一个显著的成功例子（Dalal等，2007）。
CLEAs化合物可能会成为所需的多用途催化剂，也可能会有助于实现多步生物催化转化（Vafiadi等，2008）。
虽然CLEAs可以不必将所需酶进行结晶，但仍然有其本身的不足，即对于每种酶，必须精确建立酶和交联剂之间的联系。
这也就意味着必须作出很大的努力来用于条件优化，如下讨论。
此外，在大多数情况下，一些粗蛋白需要在沉淀之前对其进行纯化。
聚集和交联的条件
在CLEAs制备过程中，通过高通量实验有利于不同的相互作用工艺参数（沉淀剂及其浓度、交联剂等）的优化（Schoevaart等，2004）。
最大程度保持可溶性酶的特异活性是所需考虑的最主要问题。
但是，像结构特性、孔隙率和抗机械应力也同等重要（Yu等，2006）。
沉淀剂的最适选择通常要以实验为依据，但也可以利用蛋白质纯化中长期积累的经验（Bommarius和Riebel，2005），一些研究强调了CLEAs制备过程中沉淀剂的重要性（Lo'
pez-Serrano等，2002）。
虽然高活性小分子戊二醛被广泛应用于蛋白质交联，但它通常也会造成酶活性的严重损失。
在使用高浓度戊二醛的时候，这种现象尤其突出（Schoevaart等，2004）。
其原因为必需功能基团的化学修饰或者由衍生诱导的一般变性，因此在交联过程中通过添加底物或配体可以提供有益的保护。
商业化聚合体聚醛由葡聚糖氧化得到，长度约100-200kDa，可以用其来替代戊二醛。
由青霉素G酰化酶（Mateo等，2004）表明，由于存在尺寸排阻，所以与戊二醛相比，右旋糖酐聚醛对酶的渗透受到限制，酶的活力保持也可能会随之显着改善。
一些酶在CLEA的过程中会因戊二醛的使用而失活，但却可以通过右旋糖酐聚醛进行成功交联，如乙醇脱氢酶、部分腈水解酶和腈水合酶等（Kuba'
c等，2008）。
在交联过程中，添加牛血清白蛋白（BSA）或聚乙烯亚胺有两个作用，一是稳定酶活性；
二是提供与戊二醛反应的氨基。
有牛血清白蛋白存在的条件下，用交联的方法制备某脂肪酶、青霉素G酰化酶及漆酶的CLEA制剂，其特异活性和抗高温及化学变性等性能有显著提高（Shah等，2006；
Cabana等，2007）。
氨基戊二酰化酶的表面缺乏氨基，这不利于应用“常规”方法来制备CLEAs。
使用聚乙烯来提供额外的交联的位点，可以得到这种酶的稳定CLEAs（Lo'
pez-Gallego等，2005）。
至少对于部分CLEAs来说，其分子大小依然起重要作用，而由此产生的结构特性与过程优化密切相关。
禹等人（2006年）显示，藿香念珠菌脂肪酶颗粒CLEAs的最适活性，颗粒直径约为40-50lm。
CLEA的大小控制很困难，因为所有工艺参数本质上的（可能）影响都必须必须加以考虑。
用CO2膨胀逆转胶束来制备树突状胰蛋白酶CLEAs制剂成为当前令人感兴趣的进展，CO2膨胀逆转胶束可以由二（2-乙基己基）磺酸钠和异辛烷进行制备得到（Chen等，2006）。
在提高CO2压力条件下，逆转胶束中的胰蛋白酶沉淀可以随后与戊二醛进行交联。
由此产生的CLEAs大小在7-38nm之间，并可通过调节水/表面活性剂比率和酶浓度来调整其大小。
在某些例子中，树突状CLEAs特异活性超过了常规制备CLEAs。
操作稳定性
已发表的有关CLEAs的著作主要关注于生物催化在有机合成方面的应用（Sheldon，2007b），而CLEAs在其（连续）过程中的详细生物工程分析则比较欠缺。
一些作者们已经认识到CLEAs对机械应力抵抗力弱的问题，例如采用搅拌（Khare等，1991；
Kim等，2007）。
青霉素G酰化酶CLEAs被包埋在由聚氯乙烯制备的聚合物基体内（Wilson等，2004），也就是所谓的LentiKats（Jekel等，1998）。
由此得到的酶制剂在摇动的条件下，在缓冲里相当稳定（50天），并且在双氧水（70％的v/V）中抵抗细菌滋生达数百个小时。
包埋可导致酶活降低到自由CLEAs的60％（Wilson等，2004）。
另一种稳定CLEA以抵对机械应力的方法是将其包埋到分层有序介孔硅胶中。
在严格的摇动条件下a-糜蛋白酶和脂肪酶的稳定性提高了十倍以上（Kim等，2007）。
总之，CLEAs已经在生物催化领域被广泛认知，并证明了其在小规模有机合成制备方面的作用。
如果进行适当的优化，这种技术将具有广阔的应用范围，而且原则上可适用于任何酶。
然而还有一点目前尚不清楚，那就是在工业规模的生物转化中，常规方法准备的CLEAs是否足以与载体约束不溶性酶制剂进行竞争，例如β-内酰胺类抗生素的工业转化。
但CLEAs很适合现有的包埋技术，这可以使其对于操作压力因素有更好的抵抗性能。
至于将CLEAs应用在连续操作过程的固化床或流化床，这一点还需要在以后进一步论证（Hara，2007；
Aytar和Bakir，2008；
Vafiadi等，2008）。
某具有热稳定性的C-内酰胺酶CLEAs最近被应用于由毛细管柱微构建的流动微反应器（Hickey等，2009）。
这个高度微型化的反应体系可应用于底物筛选和酶动力学描述，并且CLEA微反应器在连续过程条件下呈现出良好的稳定性（Hickey等，2009）。
微流化反应器所包含的固定化酶也许以CLEAs形式存在，该反应器很可能成为有助于生物催化过程开发的一般工具（Hickey等，2007；
Thomsen和Nidetzky，2009；
Schwarz等，2009）。
选择性下拉域
CLEA生产的一个显着改善是聚合过程的分子设计，能够体现其生物识别和特异性的原理。
这样不仅不必优化酶的沉淀条件，也使得在不溶性蛋白形成过程中，酶活保持和最终颗粒大小更加易于控制。
有些酶在生产重组蛋白的条件下易于聚集（以包涵体形式），一个广泛应用的方法是将其融合到一种高可溶性蛋白，以提高目的蛋白的溶解度。
如麦芽糖结合蛋白（Kapust和Wangh，1999），作者建议采用反向途径来生产酶聚集体。
从概念上讲，嵌合蛋白是将目的酶融合到一种低溶解性蛋白，如纤维素结合的噬纤维杆菌（CcCBM）（Naha'
lka和Nidetzky，2007）。
蛋白质在异源宿主（如大肠杆菌）中进行表达，往往会通过CcCBM分子间的自我聚集来诱导折叠的嵌合蛋白进行选择性下拉。
当然，至于包涵体中的酶具有催化活性，因此并不是完全没用的观点，这也不是首次提出。
Villaverde和Carrio'
（2003年）关于包涵体蛋白质沉积动力学的重大研究表明，在这种聚集体蛋白中生物功能依然保持的这一现象实际上是相当普遍的。
下拉域的首例应用是采用来源于三角酵母属变种（TvDAO）的二聚体黄素酶D-氨基酸氧化酶（Naha'
CcCBM结合到酶的N端后，在大肠杆菌BL21（DE3）中合成的TvDAO几乎完全转变为胞内蛋白颗粒。
在相同条件下生产重组蛋白时，酶缺陷型CcCBM几乎完全溶解可溶性，这表明下拉域有效地完成了所预期的溶解度开关功能。
CcCBM-TvDAO显示出可溶性纯氧化酶的约40％特异活性。
氧化酶聚集体的高水平活性之所以显著的原因主要有两个，首先，尽管TvDAO结构很复杂，但CcCBM对其折叠和功能影响很小；
其次，聚集体的整体催化活性并没有因传质效应而受到严重损害，或者换句话说，这种不溶性酶更容易接近其底物D-氨基酸和O2。
利用SDS-PAGE分析表明，分离出的CcCBM-TvDAO制剂主要含目的蛋白。
在鼓泡生物反应器中进行D-甲硫氨酸转化时，CcCBM-TvDAO显示对微晶纤维素的弱亲和力，而且实际上比可溶性氧化酶更加稳定。
将CcCBM-TvDAO包埋会提高其额外稳定性（Naha'
Naha'
lka和同他的事已经论证了CcCBM多功能下拉域的范围。
最近他们制得一些具有催化活性的聚合体，包括麦芽糊精磷酸化酶（焦酚火球菌）（Naha'
lka，2008）、唾液酸醛缩酶（SAA；
大肠杆菌K-12）（Naha'
lka等，2008）和聚激酶（PPK；
Silicibacterpomeroyi）（Naha'
lka和Patoprsty，2009），并且很好地保持了各自可溶性酶的特异活性（C83％）。
CcCBM-SAA颗粒可以进一步包埋到与戊二醛交联稳固的海藻酸钠水凝胶中（Naha'
lka等，2008）。
不溶性SAA催化剂仍然具有部分活性（51％），而且在合成神经氨酸的重复分批生产（20轮转化）中显示出很高的操作稳定性和良好的回收率。
它可以冷冻干燥，并且重新水合后几乎可以保持全部活性。
在这个例子中，其与CcCBM-PPK的共同作用还显示了目的酶可选择性下拉域的另一个重要优势，通过对不溶性蛋白组分的简单清洗，就可以有效消除大肠杆菌背景对磷酸酶活性的污染（Naha'
lka，2008）。
在一份最近与生物催化无关的研究中，CcCBM被应用于制备不同凝集素的功能聚集体（Naha'
lka，2009）。
一种酶标平板检测法最近正发展起来，在这种方法中不溶性凝集素以高通量形式应用于糖蛋白识别。
在检测条件下，两种结合唾液酸的凝集素之间的CcCBM融合表现呈“粘合”（沉淀）唾液酸化蛋白，这将使得在凝集素多价结合发生时，会有积极的响应读出（Naha'
总之，作为下拉域融合到CcCBM似乎是用来生产不溶性、高活性各种酶聚集体的一种通用方法。
将CcCBM酶非共价吸附于纤维素上有利于从液体中进行分离（Naha'
然而，可能需要更多的加工步骤（包埋、交联）来最终获得运作稳健的生物催化剂。
由于在下拉域的控制下，聚集体不可能提高酶的内在稳定性。
如果极端的工艺条件（如高温度或高盐等）不会引起不必要的降解，应用（热）稳定催化剂具有明确的潜在可能性（Littlechild等，2007）
自组系统
自组系统以脂类和非天然聚合物而被熟知（Graff等，2004），对于越来越多的蛋白质来说，自组成不溶性有序结构成为其特点（Bayley等，2004；
Hampp和Oesterhelt，2004；
Sleytr等，2004）。
在嵌合蛋白中，将目的酶融合到具有自组能力的模块中，这样可能得到的酶便于界定，或许是类结晶交联状态。
自组系统性能的开发会实现对酶颗粒大小和形状相对精确的控制。
虽然其他蛋白或肽链（从目的酶上分里得到）也为所需要的产物，但在这里不作考虑。
融合到细胞表层蛋白
细胞表层（S-层）是古细菌和细菌细胞膜结构中常见的“蛋白隔膜”（Schuster等，2008）。
它们有类格子外观，是通过自组过程形成的。
在悬浮液和不同界面上，分离得到的天然S-层蛋白单位能够再结晶成为精确的单层形式。
S-层蛋白的这些属性极大地促进了（纳米）生物技术应用的范围（Sleytr等，2007）。
虽然融合到S-层蛋白被应用于蛋白质序列开发（Tang等。
2008年）及其他分析目的（Sleytr等，2007），但也有一些例子显示S-层技术可应用于酶固定化和生物催化剂的开发。
然而，各种S-层融合有一个需要注意的共同特点，即嵌合蛋白各组份原有功能的保持，也就是指自组系统性能和各自生物活性（Sleytr等，2007）。
将嗜热多糖酶（LamA，焦球菌）融合到芽孢杆菌S-层蛋白SbpA，在大肠杆菌中制成不溶性聚集体，可惜的是没有进行特征化。
然而，经过化学展开溶解和复性，SbpA–LamA融合已成功地固定在不同载体上（Tschiggerl等，2008）。
脂质体具有酶和S-层蛋白自组融合的特征，成为一种获得潜在有用生物催化剂的可行性方法。
脂质体大小易于调节，这使得固定化酶制剂的设计具有灵活性。
将1-磷酸-葡萄糖胸甘酸转移酶融合到了嗜热脂肪地芽孢杆菌S-层蛋白SgsE的C端，Schaffer等（2007年）也证明了不溶性脂质体载体催化剂回收的可能性。
需要注意的是，在大肠杆菌或其他宿主（酿酒酵母或HeLa细胞）中生产S-层融合蛋白时，通常会产生由胞内自组系统或聚集引起的不溶性产物（Blecha等，2005）。
这些“包涵体”可能会有助于制备无载体不溶性酶。
融合到其他骨架蛋白
形成高分子量组件的蛋白质，已用来显示不溶性超分子结构表面的催化模块。
相关例子有白杨（欧洲山杨）的长145.8kDa的应激蛋白SP1，SP1构成环状同十二基（Wang等，2002），对极端条件具有高耐性，如低和高pH、高温（Tm107C）、有机溶剂和各种蛋白酶（Wang等，2006）。
将SP1融合到黑曲霉葡萄糖氧化酶（Gox），在大肠杆菌中产生不溶性聚集体结构，因此与天然氧化酶相比，沉淀酶在本质上极大地改善了其稳定性。
葡萄糖氧化酶-SP1的非催化物质仅占总颗粒的10％（重量/重量）。
将葡萄糖氧化酶-SP1组装成纳米管结构，每管含有数百个酶分子（Heyman等，2007）。
在在另一正在初步准备的例子中，南极假丝酵母脂肪酶B的蛋白颗粒设计是将其连接到马铃薯病毒衣壳蛋白上（Carette等，2006）。
通过在烟草中进行融合蛋白与原衣壳蛋白的共同表达来获得不溶性病毒蛋白，其显示出以对硝基苯酚己酸为底物的酯酶催化活性。
融合到弹性蛋白样多肽
不同长度的弹性蛋白样多肽（ELPs）含有五肽重复序列Val-Pro-Gly-Xxx-Gly，其Xxx可以是任何氨基酸（Meyer和Chilkoti，1999），弹性蛋白样多肽超过转变温度加热会发生可逆沉淀。
许多ELP融合开发目的是通过从宿主细胞粗提取物中选择性沉淀，以利于重组蛋白的下游处理（Meyer等，2001）。
该技术在生物催化方面有良好前景，但尚未在该领域广泛应用（Fujita等，2009）。
设想的一般过程是首先形成ELP-酶聚集体，然后通过交联进行稳定。
弹性蛋白样多肽的交联方法在文献中已有提及（Lim等，2007）。
融合到蛋白质结合聚羟基脂肪酸酯颗粒
聚羟基脂肪酸酯（PHAs）是天然聚酯纤维，存在于各种以其为能量储存的细菌中（Madison和Huisman，1999）。
大量生物塑料材料可以由PHA制备（Lu等，2009）。
PHAs值得关注和开发的一个特点是生物合成酶（PHA合成酶）依然会与聚酯颗粒保持共价结合。
PHA合成酶可以在许多宿主生物体中进行表达（Rehm，2003）。
因此，含有活性PHA合成酶的融合蛋白会在重组生产过程中产生PHA，并同时将其自身附着在聚酯颗粒上。
使用B-半乳糖苷酶-PHA合成酶融合蛋白可以说明此概念（用于生物催化）（Peters和Rehm，2006）。
β-半乳糖苷酶与聚酯颗粒间三明治式结合也已得到说明，其显示了PHA与抗β-半乳糖苷酶scFv（抗体的单链可变区）之间的融合（Grage和Rehm，2008）。
虽然也可能有助于分析，但就目的酶连接到PHAs所用的简单步骤而言，似乎更适应于生物催化。
通过与种子凝集素融合可能是替代PHAs固定化酶的一种方法。
种子凝集素是小分子（14-30kDa）双性蛋白，是与PHA-颗粒相关蛋白质组的主要成分（Moldes等，2004；
Neumann等，2008）。
编码与种子凝集素融合和PHA生物合成酶相关基因的共同表达，会使得固定于PHA颗粒上的所需酶具有活性。
（自动）仿生硅胶包埋
硅藻筒藻中的亲硅酸多肽可以诱导二氧化硅从单硅酸溶液中沉淀（Kro等，2002）。
亲硅酸多肽的重复单位R5肽（H2N-SSKKSGSYSGSKGSKRRIL–COOH），可用以固定丁酰胆碱酯酶。
高活性和稳定性的生物硅球也已经可以制备得到（Luckarift等，2004）。
在室温和温和化学反应条件下，往含有酶和硅酸的溶液中添加R5多肽，可以提高其生物亲硅酸性（Naik等，2004）。
最近通过使用R5融合，可以在大肠杆菌中将磷酸二酯酶和有机磷水解肽制成固定化酶制剂。
每种融合蛋白都由硅缩聚开始，且酶的活性（69-97％）均保留在由此产生的硅微球体中（Marner等，2009）。
添加络合多肽（His）6-tag的金属离子会使得硅化不溶晶体可以从粗细胞提取物中直接回收，D-氨基酸氧化酶也同样适用（Chien和Lee，2007）。
结论
表一制备无载体不溶性酶制剂各方法的半定量比较
CLECs
CLEAs
Pull-downdomains
S-layers
Silaffins
活力保持1
+…+++a
+…+++e
+l…++m
+o
+…++q
再利用难易度2
+++b
+f
+m…+++n
++o
+++r
回收后活力3
++b
+g,h…+++i
+++l
+r
机械稳定性4
+a
+++j7
++l
n.s.
热稳定性5
++…+++a
++n
++p
+q…+++s
保存稳定性6
+c8
++k…+++i
+++l9
+++o
+…++s
生产步骤
购买酶/生产，结晶，交联d
购买酶/生产，沉淀，交联j
克隆+表达,产品分离,交联（包埋）n
克隆+表达,产品分离,自组p
克隆+表达,产品分离,硅酸化q
CLECs交联酶结晶,CLEAs交联酶聚集体.
1．天然酶的0–75%：
‘+’，75–100%：
‘++’，≧100%：
‘+++’。
2．离心大于5000×
g:
‘＋’，≦5000×
‘＋＋’，≦1500×
g，采用沉降或连续流动体系:
‘＋＋＋’。
3．第二次循环＜100%:
‘＋’，接近10次循环:
‘++’，10次以上循环100%:
4．搅拌条件下全活力保持≦1天:
‘+’，≦2天:
‘++’，>
2天:
‘+++’，‘n.s.’:
不精确。
5．与天然酶相比，在高温条件下半衰期的延长，≦5倍:
‘+’，≦10倍:
10倍:
6．假定保存时酶活呈指数衰减，衰减常数λ≧0.2month-1:
‘+’，λ>
0.02month-1:
‘++’，λ≦0.02month-1或者适于冻干法:
‘+++’。
7．CLEAs包埋于LentiKats中。
8．涂有表面活性剂的CLECs。
9．可用冻干法，但为表明保存时间。
aMargolin（1996）,bHaeringandSchreier（1998）,cRajanandAbraham（2008）,dRoyandAbraham（2006）,eLo´
pez-Serrano等（2002）,fDalal等（2007）,gCabirol等（2008）,hZhao等（2008）,iRajendhranandGunasekaran（2007）,jWilson等（2004）,
kAytarandBakir（2008）,lNaha´
lka等（2008）,mNaha´
lka（2008）,nNaha´
lkaandNidetzky（2007）,oScha¨
ffer等（2007）,pTschiggerletal.（2008）,qMarner等（2009）,rChienandLee
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