用户成果｜华南理工大学王永华团队ADV SUSTAIN SYST：QCM-D技术揭示功能化壳聚糖水凝胶对光脱羧酶固定化的增强机制

背景知识：光脱羧酶固定化挑战与壳聚糖水凝胶的突破  

脂肪酸光脱羧酶（FAP）作为蓝光驱动的生物催化剂，在生物燃料和手性分子合成中展现出巨大潜力。然而，游离FAP易失活、难以回收的特性严重限制了其工业化应用。传统固定化载体常面临光传输受阻、底物扩散效率低等问题，导致酶活性下降和循环稳定性不足。壳聚糖作为一种天然高分子材料，因其优异的生物相容性和可修饰性成为理想载体候选。但其固有的结晶性和空间位阻限制了酶负载量。

    

研究方法：QCM-D技术解析酶-载体动态相互作用  

研究团队通过模板蚀刻法制备多孔半透明壳聚糖水凝胶球（PH1），依次进行氨基硅烷化（PH2）和双环状碳酸酯功能化（PH3-BC-II）。利用QCM-D联用技术，在石英晶体表面旋涂不同修饰阶段的载体薄膜（PH1/PH2/PH3-BC-II），实时监测FAP吸附过程：

• 频率偏移（Δf）：反映载体表面质量变化，负向偏移指示酶分子吸附

• 能量耗散（ΔD）：表征吸附层刚性，低耗散值提示共价键形成

• 冲洗实验：缓冲液冲洗后Δf稳定性验证结合强度

实验参数：    

• 传感器：5 MHz石英晶体，三倍频监测（n=3）

• 酶浓度：1.0 mg mL1，流速0.15 mL min1

• 温度30℃，pH 7.5，黑暗条件避免光激活干扰   

实验结果与分析： 

1. QCM-D揭示共价固定动力学优势  

• PH3-BC-II载体：10分钟内Δf达到-25 Hz（对应酶负载量125.3 mg g1），冲洗后Δf仅回升1.2 Hz，表明环状碳酸酯与FAP表面氨基形成稳定共价键

• 未修饰载体对比：PH1（醛基修饰）吸附40分钟仍未达平衡，冲洗后Δf损失达63%；PH2（仅硅烷化）因缺乏活性基团，Δf变化微弱（-8 Hz）    

2. 固定化酶性能验证  

• 催化效率：PH3-BC-II固定化FAP对棕榈酸转化率达70%，较游离酶提高1.3

• 循环稳定性：8次循环（累计24小时）后保留55.8%初始活性，酶泄漏量<5%

• 光谱分析：UV-Vis与荧光光谱显示固定化过程未破坏FAD辅因子结构

结论与展望  

本研究通过QCM-D技术首次阐明环状碳酸酯基团介导的酶共价固定机制：    

• 环状碳酸酯与酶表面碱性氨基酸快速反应（<10 min），突破传统醛基交联的动力学限制

• 柔性寡聚乙二醇链缓解空间位阻，维持FAP底物通道通透性

• QCM-D多参数联用为酶固定化载体设计提供实时动态评价标准

基金支持  

本文获得了国家重点研发计划（2022YFC2805103）、国家自然科学基金（32472280）、中央高校基本科研业务费专项资金（2024ZYGXZR052）等的支持。

原文链接  

https://doi.org/10.1002/adsu.202400862    

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