專利名稱：辣根過氧化物酶納米高分子生物催化顆粒及其制備方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種核心為辣根過氧化物酶的納米高分子生物催化顆粒及其制備方法，屬于酶的化學修飾領域。
背景技術：
辣根過氧化物酶(horseradish peroxidase，簡稱HRP)是目前最重要、應用最為廣泛的過氧化物酶，它可以在過氧化氫等的存在下高效催化各類酚類或芳香胺類等具有還原性物質(zhì)的氧化，是生物氧化過程的關鍵酶制劑。因為辣根過氧化物酶反應條件溫和、活性高、來源容易、成本較低，在包括有機合成、生物轉(zhuǎn)化、相關酶檢測、發(fā)光檢測、免疫測定、廢水處理、臨床化學、環(huán)境化學和食品工業(yè)等領域有著廣泛的用途。但天然辣根過氧化物酶的穩(wěn)定性包括熱穩(wěn)定性、有機相穩(wěn)定性、儲存穩(wěn)定性，是主要的限制性因素，難以滿足實際應用的需求。在37℃，辣根過氧化物酶活性的半衰期為10小時左右，在65℃，其活性的半衰期僅為5分鐘左右，而在一些強極性的有機溶劑和水溶液的混合體系中，其穩(wěn)定性甚至更差。因此為了進一步開拓辣根過氧化物酶的應用水平，采取工程手段提高辣根過氧化物酶的穩(wěn)定性具有重要意義。
化學修飾方法因其成本低、方法簡便，在生物酶的改造中得到了廣泛的應用。在辣根過氧化物酶的改造中，化學修飾方法與添加劑、生物定向進化等方法相比具有明顯優(yōu)勢。添加劑方法需要的添加劑加入量高，同時對實際體系會引入新的雜質(zhì)和干擾，應用較少；而生物定向進化的方法，由于穩(wěn)定性提高效果有限、無法解決工程辣根過氧化物酶大量廉價生產(chǎn)的問題，也沒有得到廣泛的重視；而目前的小分子化學修飾方法由于穩(wěn)定性效果提高仍然不能夠令人滿意。因此開發(fā)一種具有高穩(wěn)定性、高生物催化活性、易于實施、粒徑可控的辣根過氧化物酶的納米高分子生物催化顆粒及其制備方法具有廣闊的市場和重大的價值。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的之一是提供一種辣根過氧化物酶的納米高分子生物催化顆粒，以解決現(xiàn)有的辣根過氧化物酶熱穩(wěn)定差、耐有機溶劑能力低的問題，對于進一步開拓辣根過氧化物酶的應用水平具有重要意義。
本發(fā)明的另一目的是提供一種辣根過氧化物酶的納米高分子生物催化顆粒的制備方法，以解決現(xiàn)有辣根過氧化物酶小分子化學修飾穩(wěn)定性效果提高不大和固定化辣根過氧化物酶粒徑大引入較高的傳質(zhì)阻力的問題。采用該制備方法可以實現(xiàn)酶與外核交聯(lián)的高分子為共價連接，辣根過氧化物酶熱穩(wěn)定性和有機溶劑穩(wěn)定性改善顯著。
本發(fā)明的方案如下本發(fā)明提供了一種辣根過氧化物酶納米高分子生物催化顆粒，該顆粒具有辣根過氧化物酶生物催化活性，為核殼結(jié)構，核心為辣根過氧化物酶，外殼為交聯(lián)的高分子材料，核殼之間有化學鍵連接；該顆粒以下列物質(zhì)為原料，通過自由基聚合制備得到；辣根過氧化物酶以重量計為10份，酶修飾劑以重量計為2～40份，烯基單體以重量計為20～200份，引發(fā)劑以重量計為0.5～20份。
本發(fā)明還提供了一種制備辣根過氧化物酶納米高分子生物催化顆粒的自由基聚合制備方法，該方法以辣根過氧化物酶、酶修飾劑、烯基單體和引發(fā)劑為原料，其中各成分的含量為辣根過氧化物酶以重量計為10份，酶修飾劑以重量計為2～40份，烯基單體以重量計為5～100份，引發(fā)劑以重量計為0.5～20份；具體工藝步驟如下1)將上述配比的辣根過氧化物酶與酶修飾劑加入pH在7～10之間的緩沖溶液中，在4～35℃條件下反應0.5～6小時；2)將步驟1)得到的混合物加入到有機溶劑水溶液中，加入上述配比的烯基單體重量的10～50％；3)加入上述配比的引發(fā)劑，在10～35℃下反應0.5～2小時；4)加入剩下的烯基單體，在10～35℃下繼續(xù)反應1～6小時；5)產(chǎn)物經(jīng)過透析后，凍干得到核心為辣根過氧化物酶，外殼為交聯(lián)的高分子材料，核殼之間有化學鍵連接的辣根過氧化物酶納米高分子生物催化顆粒。
在本發(fā)明中，所述的烯基單體是至少一種單烯基單體和至少一種多烯基單體類物質(zhì)的混合物。所述單烯基單體可以選自丙烯酰胺、丙烯酸鈉、甲基丙烯酸鈉、甲基丙烯酸羥乙酯、丙烯酸羥乙酯、丙烯酸羥丙酯、甲基丙烯酸羥丙酯中的一種或幾種的混合物。所述多烯基單體可以選自N，N’-甲叉雙丙烯酰胺、順丁二烯、三羥基甲基丙烷三甲基丙烯酸酯中的一種或幾種的混合物。
在本發(fā)明中，所述的酶修飾劑是分子結(jié)構中至少含有一個碳碳不飽和雙鍵且可以與辣根過氧化物酶的氨基酸發(fā)生反應形成化學鍵接的物質(zhì)。所述酶修飾劑可以選自丙烯酸琥珀酰亞胺酯、丙烯酰氯、衣康酸酐一種或幾種的混合物。
在本發(fā)明中，所述的引發(fā)劑是在10～35℃條件下，具有20～35kcal/mol解離能并能產(chǎn)生自由基導致烯基單體聚合的過硫酸鹽類物質(zhì)或過氧化物類物質(zhì)。所述引發(fā)劑可以選自過硫酸鉀、過硫酸胺、過氧化氫的一種或幾種與亞鐵鹽、亞硫酸鹽、N，N，N’，N’-四甲基乙二胺、哌啶、N-甲基嗎啉一種或幾種組成的復合引發(fā)體系。
在本發(fā)明中，所述緩沖溶液為磷酸鈉、磷酸氫鈉、磷酸二氫鈉、磷酸鉀、磷酸氫鉀、磷酸二氫鉀、硼酸、硼酸鈉、硼酸鉀、碳酸鈉、碳酸氫鈉、碳酸鉀、碳酸氫鉀中的一種或幾種的水溶液。
在本發(fā)明中，所述的有機溶劑水溶液是含有二甲基亞砜、甲醇、二氧六環(huán)、乙腈、乙醇、丙酮中的一種或幾種有機溶劑的水溶液，其中，有機溶劑的重量百分比在0.5～8％范圍內(nèi)。
本發(fā)明所述的辣根過氧化物酶納米高分子生物催化顆粒具有較高的生物催化氧化活性，由于酶與外核高分子為共價連接，外殼的高分子不會出現(xiàn)脫落的問題，對辣根過氧化物酶的物理化學性質(zhì)的改善更顯著。交聯(lián)的高分子外殼大大強化了辣根過氧化物酶的結(jié)構，從而有效的阻止了高溫下的辣根過氧化物酶的結(jié)構熱振動導致的失活問題，和以往的小分子化學修飾相比，對辣根過氧化物酶的穩(wěn)定效果更好。同時親水性的外殼可以有效的為極性有機溶劑水溶液中辣根過氧化物酶保存結(jié)構必需水，這些結(jié)構必需水有效的保證了辣根過氧化物酶的活性。并且由于粒徑處于納米范圍、殼層薄至幾個到幾十納米，因此對底物傳質(zhì)無明顯的影響。綜上所述，本發(fā)明所述的辣根過氧化物酶納米高分子生物催化顆粒具有活性高、熱穩(wěn)定性強、耐有機溶劑能力強、粒徑小、比表面積高、無傳質(zhì)擴散阻力特點。這種納米高分子生物催化顆粒形式的辣根過氧化物酶作為一種高性能的納米酶制劑，在納米科學和生物催化領域具有廣泛的應用前景。
本發(fā)明所述制備方法的核心在于制備過程如何保持辣根過氧化物酶的活性，同時又能夠提供較高的制備收率。因此本發(fā)明在辣根過氧化物酶表面通過酶修飾劑引入碳碳雙鍵基團階段和自由基聚合階段使用了溫度控制，保證制備溫度發(fā)生在4-35℃，可以盡量避免辣根過氧化物酶在制備過程中的失活問題，制備過程幾乎不會引起辣根過氧化物酶的失活，因此辣根過氧化物酶的活性喪失少；同時為了保證在較低的制備溫度下自由基聚合可以得到較高的收率，使用了復合引發(fā)體系，為了保證自由基聚合主要發(fā)生在酶表面，使用了有機溶劑水溶液作為自由基聚合環(huán)境，保證自由基聚合主要發(fā)生在酶表面。同時該制備方法可以制備100納米以下尺度的制備辣根過氧化物酶納米高分子生物催化顆粒，避免了以往的酶固定化過程中高的傳質(zhì)阻力，方法簡便、易于工業(yè)實施和放大。


圖1為利用高分辨率透射電鏡觀察本發(fā)明所述的辣根過氧化物酶納米高分子生物催化顆粒形態(tài)圖。
圖2為本發(fā)明所述的辣根過氧化物酶納米高分子生物催化顆粒酶和天然辣根過氧化物酶的熱穩(wěn)定性對比圖。
圖3為本發(fā)明所述的辣根過氧化物酶納米高分子生物催化顆粒酶和天然辣根過氧化物酶在三種有機溶劑15％的水溶液中，60℃下的穩(wěn)定性對比圖。
具體實施例方式
下面結(jié)合實施例對本發(fā)明所述的辣根過氧化物酶納米高分子生物催化顆粒及其制備方法予以進一步的說明，但不限制本發(fā)明。實施例中用于化學修飾的辣根過氧化物酶來源于商品酶或來自于植物辣根的提取物。
實施例1原料為辣根過氧化物酶以重量計為10份，酶修飾劑為丙烯酸琥珀酰亞胺酯以重量計為2份，烯基單體為20份丙烯酰胺和5份甲叉雙丙烯酰胺的混合物，合計25份，引發(fā)劑為2份過硫酸胺和3份N，N，N’，N’-四甲基乙二胺的混合物，合計5份。
將上述辣根過氧化物酶與酶修飾劑加入pH為9的100mM硼酸緩沖溶液中，在25℃條件下反應1小時，用水透析除去修飾劑和硼酸鹽。將得到的混合物加入到2％的二甲基亞砜水溶液中，加入上述烯基單體量的50％，溫度保持為25℃，磁力攪拌，加入上述引發(fā)劑，反應0.5小時，加入剩余的烯基單體，溫度保持為25℃，繼續(xù)反應2小時，然后利用去離子水透析24小時，凍干即可得到辣根過氧化物酶納米高分子生物催化顆粒。該顆粒具有辣根過氧化物酶生物催化活性，為核殼結(jié)構，核心為辣根過氧化物酶，外殼為交聯(lián)的高分子材料，核殼之間有化學鍵連接。本領域的技術人員可以理解，所述的辣根過氧化物酶生物催化活性是指在過氧化物存在條件下氧化具有還原性的物質(zhì)的能力。
以四甲基連苯胺作為底物測量納米高分子生物催化顆粒的生物催化活性總收率為95％。聚合反應收率為92％。
利用高分辨率透射電鏡觀察上述辣根過氧化物酶納米高分子生物催化顆粒的形態(tài)，結(jié)果如圖1所示，平均粒徑為18nm，粒徑分布較為均勻。10分鐘不同溫度下殘余活性如圖2，其熱穩(wěn)定性和天然辣根過氧化物酶的熱穩(wěn)定性對比從42℃提高到70℃，大約提高28℃。其和天然辣根過氧化物酶的在三種有機溶劑15％的水溶液中的60℃下穩(wěn)定性對比結(jié)果如圖3所示，天然辣根過氧化物酶在60℃，10分鐘條件下幾乎完全喪失活性，而辣根過氧化物酶納米高分子生物催化顆粒在三種不同的有機溶劑水溶液中仍保持了80％左右的活性。
實施例2原料為辣根過氧化物酶以重量計為10份，酶修飾劑為丙烯酰氯以重量計為20份，烯基單體為60份丙烯酰胺和15份甲叉雙丙烯酰胺的混合物，合計75份，引發(fā)劑為5份過硫酸胺和10份N，N，N’，N’-四甲基乙二胺的混合物，合計15份。
將上述辣根過氧化物酶與酶修飾劑加入pH為7的100mM磷酸鈉緩沖溶液中，在4℃條件下反應2小時，用水透析除去修飾劑和磷酸鹽。將得到的混合物加入到5％的乙腈水溶液中，加入烯基單體量的20％，溫度保持為25℃，磁力攪拌，加入引發(fā)劑，反應0.5小時，加入剩余的烯基單體，溫度保持為25℃，繼續(xù)反應3小時，然后利用去離子水透析24小時，凍干即可得到辣根過氧化物酶納米高分子生物催化顆粒。以四甲基連苯胺作為底物測量納米高分子生物催化顆粒的生物催化活性總收率為93％，聚合反應收率為90％，而產(chǎn)物粒徑為35～40nm。
實施例3將實施例1中的烯基單體改為20份丙烯酸鈉和5份甲叉雙丙烯酰胺的混合物，引發(fā)劑的量增加為10份的過硫酸胺和10份的N，N，N’，N’-四甲基乙二胺引發(fā)劑的混合物，其余配方和步驟與實施例1相同，此時得到產(chǎn)物的活性收率、穩(wěn)定性、聚合反應收率與實施例1相當，而產(chǎn)物粒徑為14～18nm。
實施例4將實施例1中的烯基單體改為40份丙烯酸羥乙酯和10份甲叉雙丙烯酰胺，自由基聚合反應溫度為35℃，第一次加入烯基單體量為30％，引發(fā)劑為10份的過硫酸鉀和5份的亞硫酸氫鈉，其余配方和步驟與實施例1相同，此時得到產(chǎn)物活性收率為91％，產(chǎn)物的穩(wěn)定性、聚合反應收率與實施例1相當，而產(chǎn)物粒徑為20～25nm。
實施例5將實施例2中的酶修飾劑改為10份衣康酸酐，烯基單體為80份的丙烯酰胺和20份的三羥基甲基丙烷三甲基丙烯酸酯的混合物，自由基反應溶液為6％的二氧六環(huán)，反應溫度為35℃，引發(fā)劑為10份的過硫酸鉀和5份的亞硫酸氫鈉的混合物，其余配方和步驟與實施例2相同，此時得到產(chǎn)物的穩(wěn)定性、活性收率與聚合反應收率與實施例2相當，而產(chǎn)物粒徑為45～55nm。
實施例6將實施例1中的烯基單體改為40份丙烯酸鈉、40份丙烯酰胺和20份甲叉雙丙烯酰胺的混合物，自由基聚合反應溫度為10℃，兩步聚合反應時間分別為1小時和5小時，其余配方和步驟與實施例2相同，此時得到產(chǎn)物的穩(wěn)定性、活性收率、聚合反應收率與實施例2相當，而產(chǎn)物粒徑為35～45nm。
比較例1制備方法同實施例1，但不加入甲叉雙丙烯酰胺，其余配方和步驟與實施例1相同，產(chǎn)物聚合收率只有65％，產(chǎn)物穩(wěn)定性與實施例1相比很差。
比較例2制備方法同實施例2，但將單體丙烯酰胺和甲叉雙丙烯酰胺一次性加入，得到產(chǎn)物粒徑不規(guī)則，產(chǎn)物聚合收率較低。
比較例3制備方法同實施例1，但自由基聚合在45℃下進行，此時得到產(chǎn)物的活性收率僅45％。
本發(fā)明可用其它的不違背本發(fā)明的精神或主要特征的具體形式來概述。因此，無論從哪一點來看，本發(fā)明的上述實施方案都只能認為是對本發(fā)明的說明而不能限制本發(fā)明，權利要求書指出了本發(fā)明的范圍，因此，在與本發(fā)明的權利要求書相當?shù)暮泻头秶鷥?nèi)的任何改變，都應當認為是包括在權利要求書的范圍內(nèi)。
權利要求
1.辣根過氧化物酶納米高分子生物催化顆粒，其特征在于具有辣根過氧化物酶生物催化活性的核殼結(jié)構的納米顆粒，核心為辣根過氧化物酶，外殼為交聯(lián)的高分子材料，核殼之間有化學鍵連接；該顆粒以下列物質(zhì)為原料，通過自由基聚合制備得到；辣根過氧化物酶以重量計為10份，酶修飾劑以重量計為2～40份，烯基單體以重量計為20～200份，引發(fā)劑以重量計為0.5～20份。
2.按照權利要求1所述的辣根過氧化物酶納米高分子生物催化顆粒，其特征在于所述的烯基單體是至少一種單烯基單體和至少一種多烯基單體類物質(zhì)的混合物。
3.按照權利要求1所述的辣根過氧化物酶納米高分子生物催化顆粒，其特征在于所述的酶修飾劑是分子結(jié)構中至少含有一個碳碳不飽和雙鍵且可以與辣根過氧化物酶的氨基酸發(fā)生反應形成化學鍵接的物質(zhì)。
4.按照權利要求1所述的辣根過氧化物酶納米高分子生物催化顆粒，其特征在于所述的引發(fā)劑是在10～35℃條件下，具有20～35kcal/mol解離能并能產(chǎn)生自由基導致烯基單體聚合的過硫酸鹽類物質(zhì)或過氧化物類物質(zhì)。
5.權利要求1所述的辣根過氧化物酶納米高分子生物催化顆粒的自由基聚合制備方法，其特征在于該方法以辣根過氧化物酶、酶修飾劑、烯基單體和引發(fā)劑為原料，其中各成分的含量為辣根過氧化物酶以重量計為10份，酶修飾劑以重量計為2～40份，烯基單體以重量計為5～100份，引發(fā)劑以重量計為0.5～20份；具體工藝步驟如下1)將上述配比的辣根過氧化物酶與酶修飾劑加入pH在7～10之間的緩沖溶液中，在4～35℃條件下反應0.5～6小時；2)將步驟1)得到的混合物加入到有機溶劑水溶液中，加入上述配比的烯基單體重量的10～50％；3)加入上述配比的引發(fā)劑，在10～35℃下反應0.5～2小時；4)加入剩下的烯基單體，在10～35℃下繼續(xù)反應1～6小時；5)產(chǎn)物經(jīng)過透析后，凍干得到核心為辣根過氧化物酶，外殼為交聯(lián)的高分子材料，核殼之間有化學鍵連接的辣根過氧化物酶納米高分子生物催化顆粒。
6.按照權利要求5所述的制備方法，其特征在于所述的烯基單體是至少一種單烯基單體和至少一種多烯基單體類物質(zhì)的混合物。
7.按照權利要求5所述的制備方法，其特征在于所述的酶修飾劑是分子結(jié)構中至少含有一個碳碳不飽和雙鍵且可以與辣根過氧化物酶的氨基酸發(fā)生反應形成化學鍵接的物質(zhì)。
8.按照權利要求5所述的制備方法，其特征在于所述的引發(fā)劑是在10～35℃條件下，具有20～35kcal/mol解離能并能產(chǎn)生自由基導致烯基單體聚合的過硫酸鹽類物質(zhì)或過氧化物類物質(zhì)。
9.根據(jù)權利要求5所述的制備方法，其特征在于所述緩沖溶液為磷酸鈉、磷酸氫鈉、磷酸二氫鈉、磷酸鉀、磷酸氫鉀、磷酸二氫鉀、硼酸、硼酸鈉、硼酸鉀、碳酸鈉、碳酸氫鈉、碳酸鉀、碳酸氫鉀中的一種或幾種的水溶液。
10.根據(jù)權利要求5所述的制備方法，其特征在于所述的有機溶劑水溶液是含有二甲基亞砜、甲醇、二氧六環(huán)、乙腈、乙醇、丙酮中的一種或幾種有機溶劑的水溶液，其中，有機溶劑的重量百分比在0.5～8％范圍內(nèi)。
全文摘要
辣根過氧化物酶納米高分子生物催化顆粒及其制備方法，屬于酶的化學修飾領域。本發(fā)明公開了一種具有核殼結(jié)構的納米高分子生物催化顆粒，核心是辣根過氧化物酶，外殼是交聯(lián)的高分子材料，核殼之間有化學鍵連接，具有生物催化氧化活性高、熱穩(wěn)定性強、耐有機溶劑性能強的特點，在免疫測定、有機合成、生物修復等領域具有廣泛的應用前景。本發(fā)明還公開了上述顆粒的制備方法，即先在辣根過氧化物酶表面通過酶修飾劑引入碳碳雙鍵基團，然后以含有碳碳雙鍵的烯基單體為原料，通過自由基聚合得到。該方法具有簡單溫和、粒徑納米尺度高度可控、易于工業(yè)實施放大的特點。
文檔編號C12N9/08GK1904042SQ20061008972
公開日2007年1月31日 申請日期2006年7月14日 優(yōu)先權日2006年7月14日
發(fā)明者閆明, 劉錚, 戈鈞, 劉志霞, 張敏蓮, 歐陽平凱 申請人:清華大學