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Chem. Eur. J. :依靠介导电子转移的固定半乳糖氧化酶的生物技术应用

WileyChem WileyChem 2022-07-30

德国波鸿大学Wolfgang Schuhmann课题组利用氧化还原聚合物将半乳糖氧化酶(GalOx)固定在电极表面,使GalOx以介导电子转移的方式同电极进行导电连接,发展了一种有效的异相生物电催化合成系统,在温和的环境条件下实现了多种伯醇的催化氧化。


生物酶由于其催化效率高、区域或立体选择性高、作用条件温和等特点,在精细化工和制药行业具有重要的应用。GalOx是一种以铜离子为活性中心的酶,具有广泛的底物耐受性,被用于以高立体选择性地催化氧化伯醇为对应的醛,O2分子作为其天然的电子受体(图1A)。然而,利用O2再生GalOx的活性中心会产生H2O2,易造成GalOx的不可逆失活。因此,在使用GalOx进行催化合成时,通常需要额外添加大量过氧化氢酶以催化分解H2O2。这虽然有助于保持GalOx的活性,但是增加了成本,并给后续分离过程带来了困难。

图1(A)GalOx活性中心的氧化还原过程示意图。其活性中心由铜离子和酪氨酸自由基构成。方框内给出了GalOx催化伯醇氧化的反应示例:半乳糖(天然底物)和甘油的转化;(B)包埋在氧化还原聚合物中的GalOx以介导电子转移方式催化伯醇生成羰基化合物的示意图。

针对以上问题,Schuhmann课题组利用具有特定性质和氧化还原电位的氧化还原聚合物将GalOx包埋,构筑一个有效的电化学酶催化电极(图1B)。氧化还原聚合物与GalOx交联后形成导电凝胶,这样既能将GalOx固定在电极表面,又能通过氧化还原媒介体的碰撞使GalOx同电极之间进行电子传递,使得GalOx的活性位点能被电化学快速再生,而不再依赖于O2。因此,在一定的电位下,该体系实现了对伯醇底物的连续催化氧化,而不被环境中存在的O2影响。固定的酶催化剂可以方便地与反应介质分离,有利于后续分离过程的简化或者工业应用中的连续加工。该体系被成功用于甘油和5-羟甲基糠醛的生物电催化转化研究。

文信息

On the Mediated Electron Transfer of Immobilized Galactose Oxidase for Biotechnological Applications

Prof. Dr. Fangyuan Zhao, Ann Cathrin Brix, Anna Lielpetere, Prof. Dr. Wolfgang Schuhmann, Dr. Felipe Conzuelo

文章第一作者为赵方园博士,现任中国矿业大学化工学院教授。通讯作者为德国波鸿大学电化学科学中心的Wolfgang Schuhmann教授和Felipe Conzuelo博士,Felipe Conzuelo博士现任葡萄牙新里斯本大学安东尼奥·泽维尔化学与生物技术研究所研究员


Chemistry – A European Journal 

DOI: 10.1002/chem.202200868

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