Confined enzyme reaction systems mimicking carbon-fixation strategy of cell organelles

模拟细胞器固碳策略的限制酶反应系统

基本信息

批准号：
20H02543
负责人：
吉本誠
金额：
$ 10.9万
依托单位：
Yamaguchi University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
财政年份：
2020
资助国家：
日本
起止时间：
2020-04-01 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

令和４年度は，本課題の遂行過程で見出した，ポリスチレン粒子粗表面に結合させたホスフォエノールピルビン酸カルボキシラーゼ（PEPC）が気液二相流中において安定に機能発現する現象を利用した炭素固定バイオリアクターの開発を行った。具体的な成果を示す。（１）ポリスチレン粒子とPEPCの相互作用：カルボキシ基をもつポリスチレン粒子表層へのPEPCの物理吸着は低レベルであることを明らかにした。また，ポリスチレン粒子へのPEPCの共有結合性や結合効率について，粒子の酵素活性や未結合酵素の定量等の手法により多角的に検討して，固定化PEPC粒子が炭素固定反応系への適用に十分な酵素活性をもつことを明らかにした。（２）気液二相流中における遊離PEPCの特徴：気液二相流中における遊離PEPCの安定性について，形状が異なる外部循環式エアリフト型気泡塔や通気ガス中の二酸化炭素濃度，反応時間の影響等を検討した。その結果，遊離PEPCは，気泡塔において，炭素固定活性をほぼ発現しないことを明確にした。これらに基づき，PEPCをポリスチレン粒子へ固定化すると，本酵素反応の安定性が著しく向上することを示した。さらに，リポソームに結合させた炭酸脱水酵素が，遊離酵素に比べて気液二相流中において高い安定性を発現する現象について，気泡塔操作条件の効果を明らかにした。（３）二酸化炭素含有ガスを通気した気泡塔による炭素固定操作：固定化PEPC粒子を懸濁させた気泡塔に二酸化炭素を通気して，種々の条件下においてホスフォエノールピルビン酸への炭素付加によるオキサロ酢酸生成反応を行った。酵素を固定化していない粒子は，触媒活性を発現しなかった。一方，固定化PEPC粒子は，気泡塔における繰り返し反応操作において活性を発現した。また，攪拌槽型反応器を用いた反応操作を行い，固定化PEPC活性に及ぼす反応装置形状の影響を明らかにした。

2020年度，我们将开发利用在该项目实施过程中发现的现象的碳纤维技术，其中磷酸烯醇丙酮酸羧化酶（PEPC）与聚苯乙烯颗粒的粗糙表面结合，在气液两相流中稳定发挥作用开发了固定生物反应器。显示具体结果。 (1)聚苯乙烯颗粒与PEPC之间的相互作用：结果表明，PEPC在带有羧基的聚苯乙烯颗粒表层的物理吸附水平较低。此外，我们通过定量颗粒和未结合酶的酶活性等方法，从多个角度研究了PEPC与聚苯乙烯颗粒的共价键合特性和键合效率，结果表明该酶具有足够的酶活性。 (2)游离PEPC在气液两相流中的特性：针对游离PEPC在气液两相流中的稳定性，我们考察了不同形状的外循环气升式气泡塔、排出气体中的二氧化碳浓度和反应时间的影响。结果表明，游离PEPC在泡罩塔中几乎不表现出碳固定活性。基于这些结果，我们表明将 PEPC 固定在聚苯乙烯颗粒上可显着提高该酶促反应的稳定性。此外，我们还阐明了泡罩塔操作条件对与脂质体结合的碳酸酐酶在气液两相流中比游离酶表现出更高稳定性的现象的影响。 (3)使用通入含有二氧化碳的气体的泡罩塔的碳固定操作：通过使固定有PEPC粒子悬浮的泡罩塔通入二氧化碳，在各种条件下进行向磷酸烯醇丙酮酸的碳加成。生产反应是通过没有固定化酶的颗粒不表现出催化活性。另一方面，固定化的PEPC颗粒在泡罩塔中的重复反应操作过程中表现出活性。此外，我们使用搅拌釜反应器进行了反应操作，并阐明了反应器形状对固定化PEPC活性的影响。