天然低共熔溶液中非特异性过氧合酶催化芳环类物质选择性氧化的研究

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非特异性过氧合酶(Unspecific Peroxygenase,UPO)是一类以亚铁血红素为催化活性中心、可催化多种不同类型选择性氧化反应的氧化还原酶。UPO催化反应过程不依赖昂贵的辅酶因子,能够在温和条件下,利用H2O2高效催化芳环类物质中惰性C-H键羟化、C=C双键环氧化等反应,合成一系列芳环类含氧化合物,在香精香料、医药保健品等领域具有巨大的应用潜力。但目前UPO催化存在氧化剂H2O2造成UPO酶结构破坏,进而导致酶失活等问题,限制了UPO的大规模应用。探索适用于UPO的高效催化体系,是解决上述难题的有效途径之一。本课题构建了氯化胆碱系列天然低共熔溶液(NADES)中胆碱氧化酶(Choline Oxidase,Ch Ox)催化氯化胆碱在线生成H2O2的反应体系,通过H2O2的缓慢释放维持体系中H2O2浓度在可高效催化且不破坏酶活性的稳定水平;其次,在该体系中实现了UPO对乙基苯等芳环类物质选择性氧化反应的高效催化;最后,应用分子模拟分析技术,初步探究了NADES溶液对UPO的稳定机理。具体研究内容及结果如下:1.NADES溶液中AnChOx介导的H2O2在线生成体系的构建。以E.coli BL21(DE3)为表达宿主制备并获得了来源于烟草节杆菌(Arthrobacter nicotianae)的胆碱氧化酶AnChOx,并构建了在NADES溶液中AnChOx催化氯化胆碱在线生成H2O2的反应体系。结果表明:在NADES溶液中AnChOx能够催化氯化胆碱稳定提供低浓度H2O2,体系中H2O2生成速率为0.75-1.70 m M·h-1,反应平衡时H2O2累积量为6.41-11.36 m M。2.NADES溶液中AnChOx与rAae UPO级联催化芳环类物质选择性氧化反应的研究。在上述构建的H2O2在线生成体系中,利用源于茶树菇(Agrocybe aegerita)的重组非特异性过氧合酶rAaeUPO催化乙基苯羟基化、顺-β-甲基苯乙烯环氧化、甲基苯基硫醚磺化反应,并考察NADES溶液种类及NADES含量、酶加量等相关因素对反应效果的影响。结果表明:针对乙基苯羟基化反应,在以25%(v/v)Ch Cl-Urea-Gly溶液为反应溶剂的最优反应条件下,反应获得22.30±1.12 m M产物转化,转化率为89.20±4.48%;针对顺-β-甲基苯乙烯环氧化反应,在以50%(v/v)Ch Cl-Pro-H2O溶液为反应溶剂的最优反应条件下,反应获得8.68±0.12 m M产物转化,转化率为34.72±0.48%;针对甲基苯基硫醚磺化反应,在以50%(v/v)Ch Cl-Urea溶液为反应溶剂的最优反应条件下,反应获得15.09±0.01 m M产物转化,转化率为60.36±0.04%。上述结果表明,H2O2的在线生成为rAaeUPO的高效催化提供了积极影响。3.NADES溶液对rAaeUPO稳定机理的探索。采用ABTS和NBD酶活检测方法考察不同溶剂对rAaeUPO酶活的影响,并通过分子模拟分析技术初步探究了NADES溶液对rAaeUPO的稳定机理。结果表明:NADES溶液对rAaeUPO具有显著的稳定作用,NADES溶液中rAaeUPO酶活半衰期约为缓冲液中半衰期的6倍。分子模拟结果显示,rAaeUPO在NADES溶液中分布更均匀,溶剂可达表面积更小,表面波动区域更稳定,上述协调作用对NADES溶液稳定rAaeUPO起到了关键作用。综上所述,本课题构建了氯化胆碱系列NADES溶液中AnChOx介导的H2O2在线生成体系,在该体系中实现了rAaeUPO高效催化芳环类物质选择性氧化反应,为解决UPO催化反应中氧化剂H2O2影响UPO稳定性和催化效率等问题提供新思路,同时为食品、药品中芳环类含氧功能成分分子的合成提供新途径。
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