[发明专利]磁性纳米粒子和产生自由基的酶的介孔催化剂及其使用方法

说明书

交叉引用相关专利申请

本申请要求2011年12月9日提交的美国临时申请号61/568,966，和2011年3月10日提交的美国临时申请号61/451,360的优先权，其全部内容通过引用并入本申请。

关于联邦政府资助研究的声明

本发明在康奈尔大学东北赠日计划（Northeast Sun Grant Initiative）的合同中规定的政府资助下进行的，该合同号为美国运输部资助#DTOS59-07-G-00052。政府享有本发明的某些权利。

发明背景

过氧化物酶（EC1.11.1）广泛存在于生物系统中，并形成氧化还原酶亚类，所述氧化还原酶亚类将过氧化氢（H₂O₂）还原成水，从而氧化多种类型的芳香化合物，范围从酚到芳香胺。过氧化物酶反应循环十分复杂，其始于H₂O₂对亚铁血红素的活化以形成双电子活化的化合物I（N.C.Veitch,Phytochemistry,2004,65,249）。然后化合物I的一个电子被有机底物的氧化反应所还原导致形成化合物II，该化合物的一个电子处于静息状态。第二个还原将酶恢复至静息状态以开始一个新循环。总的来说，对于所消耗的每个过氧化氢分子而言，产生两个芳香自由基并且其能够易于在次级反应中反应。

过氧化物酶对主要由H₂O₂引起的底物抑制高度敏感，其能够导致可逆的酶灭活形式（化合物III）的形成。其活性还被产物的抑制所阻止。因此，与过氧化物酶活性相关的复合动力学能够限制其在多种工艺和生物过程中的应用。增加这一酶家族的活性及其对不同工艺条件的耐受性能够改进其目前的用途，以及为其在新应用中的用途创造条件。

发明概述

本申请发现了由产生自由基（FRP）的酶，例如辣根过氧化物酶（HRP），和自组装磁性纳米粒子（MNP）组成的生物纳米催化剂（BNC）增强了酶活性。特别地，本申请令人惊讶地发现，与游离酶和不含酶的磁性纳米粒子簇相比，FRP酶和磁性纳米粒子的自组装簇一般具有更加迅速的翻转和对酶更低的抑制。而且本申请还发现MNP的粒径和磁化强度影响BNC的形成和最终结构，其均对所包封酶的活性具有显著影响。特别地凭借在不同反应条件下令人惊讶的适应性，本申请所述的BNC能够在其它此类试剂目前可以使用的地方用作改进的FRP剂，而且其能够用于FRP酶尚未被考虑或发现适用的其它应用。

本申请所描述的方法非常不同于依赖通过复合生化方法将蛋白偶联于表面修饰粒子的经典方法，经典方法通常情况下是以消耗酶活性和反应效率为代价的。通过本方法，仅当酶与MNP紧密结合时HRP的动力学被根本改良，例如初级MNP微晶和过氧化物酶的自组装簇（聚集）。在生物相关底物浓度下，所得的BNC的总活性能够有利地高于游离酶或MNP若干数量级。

在一个方面，本发明涉及一种组合物，在所述组合物中FRP酶被包埋（即，包封）在磁性纳米粒子或其簇中。在特定实施方式中，所述组合物是由磁性纳米粒子和一种FRP酶或FRP酶组合组装成的介孔簇。所述介孔簇的簇状组装件具有包埋了FRP酶的介孔。在其它实施方式中，前述簇组合物包括表面涂覆了金的磁性纳米粒子。在又一个实施方式中，前述簇组合物进一步包括微米或亚微米粒径的磁性微粒，上有包埋了FRP的磁性纳米粒子。

在其它方面，本发明涉及一种工艺，上文所述的包埋了FRP的磁性纳米粒子的组合物可用于所述工艺中。在特定实施方式中，所述包埋了FRP的磁性纳米粒子组合物参与了用于解聚木质素的工艺、用于从水中除去芳香族污染物的工艺和用于通过自由基反应使单体聚合生产聚合物的工艺。

在另一个方面，本发明涉及用于生产上文所述的包埋了FRP的磁性纳米粒子组合物的工艺。在某些实施方式中，首先制备磁性纳米粒子或其聚合物，随后将FRP酶吸附于其中或与其连接。在其它实施方式中，在存在FRP酶的条件下，通过进行磁性纳米粒子的合成生产包埋了FRP的磁性纳米粒子组合物，从而通过自组装机制在MNP簇中包埋所述FRP酶。

附图说明

图1：在25℃和90℃下合成的磁性纳米粒子的X-射线衍射图。合成的纳米粒子显示了磁铁特征性的X-射线衍射图。在25℃（较小粒径）和90℃（较大粒径）下形成的纳米粒子之间的微晶衍射峰强度存在差异。