高效脂肪酶调控机制及性能强化的基础研究

对脂肪酶催化性能的认识、利用和开发是提高生物催化制备精细化学品过程效率的关键。本项目选择脂肪酶为研究对象，以提高脂肪酶的"高效性"、"适用性"和"经济性"为目标，重点研究脂肪酶催化选择性实现、催化过程强化及其高效制备；运用酶工程、化学工程、代谢工程等技术手段，在分子水平上利用分子模拟技术揭示脂肪酶结构与功能之间的关系，阐明其催化选择性实现的分子基础，在细胞水平上通过研究能量与物质流耦合过程揭示脂肪酶合成过程中微生物生理代谢平衡耦合机制，在过程水平上通过研究酶应用微环境应答机制揭示脂肪酶催化过程的强化原理，提高脂肪酶催化特定反应的催化性能并降低其制备成本。这些研究成果将显著深化对脂肪酶催化机理的认识和拓展脂肪酶的应用领域，并区别于以往以反应为主体的酶催化研究路线，探索一条以酶本身为研究主体的酶修饰改造新路线，为促进工业生物催化的发展奠定理论基础。

对脂肪酶催化性能的认识、利用和开发是提高生物催化制备精细化学品过程效率的关键。本项以提高脂肪酶的“高效性”、“适用性”和“经济性”为目标，具体研究成果包括以下内容：.研究内容一：基于分子识别机制认知，改造脂肪酶空间结构。以脂肪酶的手性识别机制为研究重点，采用多种分子模拟方法用于定性和定量预测脂肪酶的手性选择性，首次揭示了脂肪酶对手性伯醇的分子识别机理，发现了脂肪酶对薄荷醇底物选择性的关键位点。在对脂肪酶变构机制的研究中，建立了系列蛋白修饰方法和表征技术，如蛋白化学修饰方法库、界面激活修饰方法等，以及MALDI-TOF肽指纹图谱表征方法、分子动力学计算修饰基团结构、折叠识别构建修饰后脂肪酶三维结构。针对脂肪酶催化反应过程遇到的稳定性和选择性这两个关键问题，开展了基于理性设计的分子改造工作，产碱假单胞菌脂肪酶的热稳定性和溶剂耐受性均提高1000倍，对薄荷醇底物的异构体选择性提高了10倍。.研究内容二：环境应答机制的脂肪酶催化强化原理。以手性化合物的动态动力学拆分反应为对象，研究了化学消旋催化剂与脂肪酶的生物相容性及调控策略，芳香醇和芳香胺的DKR反应体系温度分别降到25℃和55℃，eep值和转化率达到99%以上。针对脂肪酶的固定化问题，首次合成了核苷酸锆纳米材料用于脂肪酶固定化；设计了能快速从反应相中分离的磁性多孔聚合物；首次将离子液体用于修饰介孔材料载体。研究了多种酶催化的过程体系的性能强化，包括脂肪酶的非手性催化体系，如维生素C棕榈酸酯和1,3甘油二酯的合成；以及脂肪酶的手性拆分体系，如生物菊醇、左旋帕罗醇中间体等的手性拆分。.研究内容三：基于微生物生理代谢平衡控制高效合成脂肪酶。基于KEGG中的途径挖掘和整合，构建了脂肪酶的合成网络，定量分析主要代谢产物如有机酸和氨基酸等，计算胞内反应速率，获得代谢通量分布，揭示了枯草杆菌脂肪酶合成的物质代谢节点，脂肪酶的合成与天冬氨酸、谷氨酸、三丁酸甘油酯摄取速率正相关；与生物量、乳酸积累负相关。以三丁酸甘油酯为唯一碳源对菌株进行适应性进化，进化株的三丁酸甘油酯吸收速提高89%，脂肪酶活力提高51%。进一步通过双阶段溶氧策略引导胞内能量流的迁移，酶活比单一溶氧条件提高25%，稳定高效产酶6h，解决了枯草杆菌中脂肪酶产酶活力不稳定的问题，实现了脂肪酶的高效稳定表达。

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