CN109810969A - 一种基于镧系核苷酸配合物和dna定向固定技术构建人造多酶系统的方法 - Google Patents

一种基于镧系核苷酸配合物和dna定向固定技术构建人造多酶系统的方法 Download PDF

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Abstract

一种基于镧系核苷酸配合物和DNA定向固定技术构建人造多酶系统的方法,属于固定化酶制备领域。本发明分为以下步骤:首先制备单链DNA修饰的磁性纳米粒子和互补单链DNA功能化的葡萄糖氧化酶;之后将磁性纳米粒子与酶混合,通过DNA互补杂交实现酶的固定化;将固定化酶与六水合硝酸铈和5'‑腺嘌呤核苷酸二钠盐共同孵育,通过镧系核苷酸配位聚合物的自组装实现对固定化酶的封装,构建人造多酶系统。封装载体不仅可以起到保护固定化酶的作用,还作为模拟酶,与固定的天然酶组成酶级联系统。本发明的人造多酶系统制备过程简单且条件温和,酶活性高,易于从反应体系中分离,稳定性和重复使用性优异,同时通过引入模拟酶,极大地降低了成本。

Description

一种基于镧系核苷酸配合物和DNA定向固定技术构建人造多 酶系统的方法
技术领域
本发明属于固定化多酶系统制备技术领域,具体涉及通过双链DNA互补介导技术固定酶和镧系核苷酸配位聚合物封装酶的方法。
背景技术
酶是高效的生物催化剂,具有很高的底物特异性和温和的反应条件。在生物体中,通常由多种不同的酶组成多酶系统,以通过级联催化反应实现多种生理过程。受到自然界的启发,研究人员致力于开发人造多酶系统,其中天然酶或纳米模拟酶被共同固定,以实现复杂的功能。然而,固定在载体上的酶通常难以受到载体的保护,受到其在非生理环境下快速失活的限制,在恶劣的反应条件下十分脆弱,导致了稳定性差,成本高和催化效率低等问题。对固定化酶进行封装,利用外部涂层对酶的“屏蔽效应”,可以有效地保护酶。封装的DNA定向固定化酶具有以下优点:其一,分离容易,可以实现对酶的回收利用,同时避免了酶对反应底物的污染;其二,封装固定化酶可以增加酶的稳定性,提高酶的重复使用性,扩展其工业化应用;其三,通过DNA定向固定的酶可以保持其活性位点完全暴露,解决了封装酶通常存在的活性下降的问题;其四,通过合理的设计,用于封装的保护涂层还可以作为模拟酶,和天然酶组成级联系统,从而减少酶的使用,大幅度降低了应用成本。
由于核苷酸配位聚合物具有较好的生物相容性、物理化学稳定性和多孔性,同时其聚合条件相对温和,已经被广泛应用于化学和生物领域。近年来,以核苷酸配位聚合物为载体进行生物客体分子的包覆得到发展。尽管配位聚合物已经被证明对酶具有良好的封装率,固定效果满意,但此类固定化酶难以从反应体系中分离,重复使用性较差,活性和稳定性也存在很大问题。因此,需要进一步研究高活性、高稳定性和易于分离的封装固定化酶用于构建人造多酶系统。
发明内容
本发明的目的是提供一种采用镧系核苷酸配位聚合物为封装载体用于保护通过双链DNA互补介导法固定到磁性纳米粒子上的酶的方法,以克服固定化酶在复杂外界环境下易失活的缺点,该封装载体不仅起到保护天然酶的作用,还能作为模拟酶,与固定化酶组成酶级联,从而构建人造多酶系统。本发明的人造多酶系统制备简单,条件温和,酶活性高,稳定性和重复使用性好,且易于从反应体系中分离。
该方法首先通过DNA定向固定化技术将葡萄糖氧化酶(GOx)固定到磁性纳米粒子的表面,再将其与六水合硝酸铈和5'-腺嘌呤核苷酸二钠盐(AMP)共同孵育,依靠镧系核苷酸配位聚合物的自组装实现对固定化酶的封装,构建人造多酶系统。
为了达到上述目的,本发明按照以下技术方案实现:
一种镧系核苷酸配位聚合物封装DNA定向固定化酶用于构建人造多酶系统的方法,其特征在于包括以下步骤:
(1)将磁性纳米粒子Fe3O4@ SiO2表面采用含有氨基的硅烷偶联剂进行氨基化,优选含有氨基的硅烷偶联剂为(3-氨丙基)三乙氧基硅烷(APTES);
(2)将步骤(1)得到的氨基化磁性纳米粒子采用磷酸盐缓冲溶液和戊二醛溶液进行孵育,分离洗涤得到MNPs;
(3)将sspDNA采用buffer B涡旋至sspDNA完全溶解;将sspDNA溶液加入到步骤(2)得到的MNPs中,再加入PBS,在37℃、摇床中反应3.5h;将产物用buffer A洗涤,再加入牛血清白蛋白(BSA)溶液,反应30min,对MNPs表面的非特异性结合位点进行封闭,反应后,将得到的MNPs@sspDNA洗涤,并浸泡在buffer B中,在4℃下保存备用,得到sspDNA功能化的磁性纳米粒子;
(4)(a)将sscDNA采用buffer B涡旋至DNA完全溶解,再加入三(2-羧乙基)膦(TCEP)水溶液,在25℃的摇床中反应1h;反应结束后,混合物用3K超滤离心管过滤洗涤除去未参加反应的sscDNA;
(b)称取GOx溶于buffer B中,涡旋混合均匀;称取4-(N-马来酰亚胺甲基)环己烷-1-羧酸磺酸基琥珀酰亚胺酯钠盐(suflo-SMCC)超声溶解于buffer B中,并将其加入到上述GOx溶液中,涡旋混合均匀;将混合液放置于摇床中,在25℃、反应1h,反应结束后,混合物用10K超滤离心管过滤洗涤除去未参加反应的sulfo-SMCC;
(c)将步骤(b)过滤好的GOx溶液与步骤(a)所得的sscDNA溶液混合在一起,在37℃的摇床中反应48h;反应结束后,混合物用10K超滤离心管过滤洗涤除去未反应完全的sscDNA,得到的GOx-sscDNA共轭物保存在4℃下备用,得到sscDNA修饰的葡萄糖氧化酶;
(5)将sspDNA功能化的磁性纳米粒子、sscDNA修饰的葡萄糖氧化酶和buffer A在37℃摇床中反应3h。,反应结束后,洗涤得到的通过DNA定向固定技术固定的葡萄糖氧化酶即固定化酶浸泡在buffer A中,保存在4℃下备用;
(6)将步骤(5)中合成的固定化酶与六水合硝酸铈、5'-腺嘌呤核苷酸二钠盐及buffer C混合反应,用buffer C润洗,得到镧系核苷酸配位聚合物封装的人造多酶系统。
步骤(3)中所述的sspDNA的序列(SEQ ID NO:1)为5’-NH2-CTTGACTTCATCGAGGTCCAGTCA-3′,步骤(4)中sscDNA的序列(SEQ ID NO:2)为5’-SH-TGACTGGACCTCGATGAAGTCAAG-3’,上述sspDNA和sscDNA均为人工设计序列。
sspDNA和sscDNA为每0.5OD,溶解在150μL的buffer A中;
步骤(5)中sspDNA功能化的磁性纳米粒子与sscDNA修饰的葡萄糖氧化酶加入量质量比为25:2。
步骤(6)中固定化酶的加入量和浓度分别为200μL、1mg/mL;六水合硝酸铈的加入量和浓度分别为100μL、50mM;5'-腺嘌呤核苷酸二钠盐的加入量和浓度分别为200μL、25mM。
所述的buffer A为磷酸盐缓冲溶液,10mM,pH 7.4,0.1M NaCl;buffer B为磷酸盐缓冲溶液,10mM,pH 7.4,0.1M NaCl,0.05wt%Tween-20;buffer C为4-羟乙基哌嗪乙磺酸缓冲溶液,pH 7.4,25mM。
进一步,制备的人工多酶系统为球形;
进一步,磁性四氧化三铁纳米粒子粒径为250nm,修饰硅层后的磁球Fe3O4@SiO2粒径为290nm;封装后的人造多酶系统的粒径为330nm;
进一步,所述的人造多酶系统保持了良好的磁饱和强度,在磁场的控制下易于从反应体系中分离;
进一步,所述的人造多酶系统中的天然酶为葡萄糖氧化酶,此封装和固定方法可以扩展到其他酶与超分子保护层组成酶级联系统,具有广泛的应用范围。
本发明的优点在于:
(1)受益于DNA双链优秀的特异性、机械刚性和温和的反应条件,固定化酶保持了优秀的生物相容性、活性和稳定性;
(2)利用镧系核苷酸配位聚合物封装的方法简单、温和而高效,其柔软多孔的超分子结构在封装过程中未对酶的二级、三级结构产生影响,能够在充分保持酶活性的基础上,大幅度提升其对外界条件的耐受性;
(3)用于封装的镧系核苷酸配位聚合物不仅作为固定化酶的保护层,还具有优异的类过氧化物酶性质,可以与固定的天然酶组成酶级联反应系统,由于天然酶和模拟酶相距很近,葡萄糖氧化酶的催化产物可以快速被类酶消耗,从而显著地提高了酶级联系统地反应效率;
(4)与其他封装的多酶系统相比,本发明制备的人造多酶系统在磁场的控制下易于从反映体系中分离,可显著提高固定化酶的重复使用性;
(5)本发明以葡萄糖氧化酶作为模型酶,可广泛应用于不同类型的固定化酶地封装,是一种通用型制备人造多酶系统的策略。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作详细说明,但并不构成对本发明的限制。
实施例1:
(1)称取0.5g Fe3O4@SiO2纳米粒子于100mL烧瓶中,加入48mL甲醇和2mL(3-氨丙基)三乙氧基硅烷(APTES),室温下反应12h。待反应结束后,产物用乙醇超声清洗三次,在真空干燥箱中50℃烘3h,得到Fe3O4@SiO2@APTES磁性纳米粒子。
(2)将(1)中合成的磁性纳米粒子25mg与4.5mL磷酸盐缓冲液(PBS,20mM,pH 8.0)和0.5mL戊二醛溶液(50%wt)在25℃孵育2.5h。反应结束后进行磁性分离,将产物用bufferA(10mM PBS,pH 7.4,0.1M NaCl,0.05%Tween-20)洗涤一次,再用20mM PBS洗两次,得到MNPs。
(3)单链DNA修饰的磁性纳米粒子(MNPs@sspDNA)的制备
1OD sspDNA中加入300μL buffer B,涡旋至DNA完全溶解。取150μL DNA溶液加入氨基化的磁性纳米粒子(MNPs)中,再加入1mL 20mM PBS,在37℃、转速为400rpm的摇床中反应3.5h。将产物用buffer A洗涤两次后,再加入3mLBSA溶液(5%wt,溶解于buffer A中),在37℃、转速为400rpm的摇床中反应30min,对磁性纳米粒子表面的非特异性结合位点进行封闭。反应后,将MNPs@sspDNA用buffer A洗一次,buffer B洗三次,并浸泡在buffer B中,在4℃下保存备用。
(4)葡萄糖氧化酶-单链DNA共轭复合物(GOx-sspDNA)的制备
向0.5OD sscDNA中加入200μL buffer B,涡旋至DNA完全溶解,再加入60μL TCEP水溶液(30mM),在25℃、转速为400rpm的摇床中反应1h。反应结束后,混合物用3K超滤离心管过滤洗涤6次,22min/次,离心机转速为8000xp,除去未参加反应的DNA。称取2mg GOx溶于200μL buffer B中,涡旋混合均匀。称取1mg suflo-SMCC超声溶解于200μL buffer B中,并将其加入GOx溶液中,涡旋混合均匀。将混合液放置于摇床中,在摇床温度为25℃、转速为400rpm下反应1h。反应结束后,混合物用10K超滤离心管过滤洗涤6次,10min/次,离心机转速为8000xp,除去未参加反应的sulfo-SMCC。之后,将上述过滤好的GOx溶液与sscDNA溶液混合在一起,在37℃、转速为400rpm的摇床中反应48h。反应结束后,混合物用10K超滤离心管过滤洗涤6次,10min/次,离心机转速为8000xp,除去未反应完全的sscDNA。得到的GOx-sscDNA共轭物保存在4℃下备用。
(5)将上述制备的单链DNA修饰的磁性纳米粒子、葡萄糖氧化酶-单链DNA共轭复合物和1mL buffer B在37℃、转速为400rpm的摇床中反应3h。反应结束后,用buffer A将产物洗涤2次,再用buffer B洗涤2次,得到的固定化葡萄糖氧化酶(MNPs@DNA@GOx)。接下来,将Ce(NO3)3·6H2O(100μL,50mM)和AMP(200μL,25mM)溶于buffer C,加入MNPs@DNA@GOx(200μL,1mg/mL)形成悬浮液,将悬浮液剧烈混合4h后,用磁铁分离产物NCPs-MNPs@DNA@GOx,用buffer C洗涤数次,得到的人工多酶系统重新分散到buffer C中。
实施例2:人造多酶系统的条件优化及动力学考察
(1)核苷酸配位聚合物超分子纳米涂层的厚度、温度及pH均对人造多酶系统的活性和稳定性有影响,因此本发明对制备的人造多酶系统的反应条件进行考察。
(2)分别制备配位聚合物自组装反应时间2、4、6、8小时的人造多酶系统(0.5mg),分别在37℃下酶促底物100mM葡萄糖和0.5mM 2,2'-联氮-双-3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸(ABTS),摇床反应10min,400rpm,考察双酶比例对固定化酶体系影响。用紫外可见分光光度计测量产物在415nm处的吸光度。同时,用投射电镜(TEM)和蒸发光散射(DLS)分析多酶系统的封装厚度。结果表明,自组装时间4小时是封装固定化酶的最佳时长,随着摩尔比例的升高,固定化酶的活性逐渐降低,在组装时间为4小时时,人造多酶系统保持了90%的活性,同时NCPs的厚度达到了20nm,能够完全包覆住固定化酶。
(3)取0.5mg人造多酶系统分别加入1mL酶促底物100mM葡萄糖和0.5mM ABTS,在不同温度下摇床反应10min,400rpm,考察温度对固定化酶体系影响。用紫外可见分光光度计测量产物在415nm处的吸光度。。
(4)取0.5mg人造多酶系统分别加入1mL不同pH值的酶促底物100mM葡萄糖和0.5mMABTS,摇床反应10min,400rpm,考察pH值对固定化酶体系影响。用紫外可见分光光度计测量产物在415nm处的吸光度。
(5)在最佳反应条件下对人造多酶系统进行动力学考察。根据米氏方程(Michaelis-Menten equation)分别考察人造多酶系统和游离葡萄糖氧化酶和辣根过氧化物酶双酶的动力学参数。以人造多酶系统中葡萄糖氧化酶为模型酶衡量对比封装酶和自由酶的动力学参数。人造多酶系统的米氏常数(Km)及最大反应速率(Vmax)分别为1.45mM和7.21×10-8M s-1,游离酶的Km和Vmax分别为2.86mM和4.79×10-8M s-1,表明与自由酶相比,该人造多酶系统具有较好的底物亲和性和较大的反应速率。
实施例3:人造多酶系统重复使用性及稳定性测试
(1)人造多酶系统的制备:同实施例1。
(2)重复使用性考察:配制1mL 100mM葡萄糖和0.5mM ABTS底物溶液,加入到0.5mg实施例3中合成的人造多酶系统,摇床反应10min,37℃,400rpm。
(3)反应完后,用紫外可见分光光度计测量产物上清液在415nm处的吸光度,(2)中的人造多酶系统用10mM PBS(pH 7.4,0.1M NaCl)充分洗涤,去除其表面粘有的底物溶液,加入1mL 100mM葡萄糖和0.5mM ABTS底物溶液,摇床反应10min,37℃,400rpm,用紫外可见分光光度计测量产物在415nm处的吸光度。反复批次催化1mL 100mM葡萄糖和0.5mM ABTS底物溶液,考察人造多酶系统的重复使用性。
(4)经考察,本发明制备的人造多酶系统拥有很好的重复使用性。重复使用15次后仍可保持原酶活性的79%;与其他封装多酶体系相比,本发明制备的人造多酶系统在磁场控制下易于从反应体系中分离,重复使用性及易回收的优势明显。
(5)热稳定性考察:0.5mg(100μL)实施例3中合成的人造多酶系统和相同酶量的游离葡萄糖氧化酶和辣根过氧化物酶双酶(100μL)分别在50℃和60℃中孵育0,25,50,75,100,125,150min,考察高温对人造多酶系统活性的影响。孵育结束后,在人造多酶系统中分别加入1mL 100mM葡萄糖和0.5mMABTS底物溶液,摇床反应10min,37℃,400rpm,用磁铁分离后,上清液和游离酶反应溶液分别用紫外可见分光光度计测量415nm处的吸光度。测试结果表明,人造多酶系统和游离酶的活性随热孵育时间的延长而降低,但人造多酶系统与游离酶相比具有较好的热稳定性,在50℃和60℃中孵育150min后仍可分别保留原酶活性的86%和63%,是相同条件下游离酶酶活性的2.6和4.9倍。
储存稳定性考察:0.5mg(100μl)实施例3中合成的封装酶体系和相同酶量的游离葡萄糖氧化酶和辣根过氧化物酶双酶(100μL)分别在4℃和室温条件下分别储存0,3,6,9,12,15,30,45天,考察不同储存条件对人造多酶系统活性的影响。储存结束后,封装酶体系中分别加入1mL 100mM葡萄糖和0.5mM ABTS底物溶液,摇床反应5min,37℃,400rpm,用磁铁分离后,上清液和游离酶反应溶液分别用紫外可见分光光度计测量415nm处的吸光度。测试结果表明,人造多酶系统和游离酶的活性随储存时间的延长而降低,但封装的人造多酶系统与游离酶相比具有较好的储存稳定性,在4℃储存45天后,封装酶仍可保持原酶活性的94%,在室温储存45天后,封装酶仍可保持原酶活性的75%,然而自由酶在相同条件下仅分别保留原酶活性的36%和1%。
实施例4:人造多酶系统用于模拟环境水样中酚类污染物的降解。
(1)人造多酶系统的制备:同实施例1。
(2)5mg实施例3中合成的人造多酶系统,分别加入5mM苯酚、2,4-二氯苯酚、双酚A和100mM葡萄糖,摇床中反应,37℃,400rpm。用磁铁分离人造多酶系统后,取不同反应时间的上清液分别用超高效液相色谱(UFLC)监测酚类污染物质的降解情况。
(3)通过(2)中的分析方法进行模拟水样污染物的降解,发现随着反应时间的增加,人造多酶系统对于污染物的降解率逐步提升,反应30min后,所有污染率的降解率都达到了80%,且降解速率很快,说明该人造多酶系统在环境治理方面有着广阔的应用前景。
序列表
<110>北京化工大学
<120>一种基于镧系核苷酸配合物和DNA定向固定技术构建人造多酶系统的方法
<160>2
<210>1
<211>24
<212>DNA
<213>人工序列
<220>
<223>人工合成
<400>1
cttgacttcatcgaggtccagtca 24
<210>2
<211>25
<212>DNA
<213>人工序列
<220>
<223>人工合成
<400>2
tgactggacctcgatgaagtcaag 25

Claims (9)

1.一种镧系核苷酸配位聚合物封装DNA定向固定化酶用于构建人造多酶系统的方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)将磁性纳米粒子Fe3O4@SiO2表面采用含有氨基的硅烷偶联剂进行氨基化,优选含有氨基的硅烷偶联剂为(3-氨丙基)三乙氧基硅烷(APTES);
(2)将步骤(1)得到的氨基化磁性纳米粒子采用磷酸盐缓冲溶液和戊二醛溶液进行孵育,分离洗涤得到MNPs;
(3)将sspDNA采用buffer B涡旋至sspDNA完全溶解;将sspDNA溶液加入到步骤(2)得到的MNPs中,再加入PBS,在37℃的摇床中反应3.5h;将产物用buffer A洗涤,再加入牛血清白蛋白(BSA)溶液,反应30min,对MNPs表面的非特异性结合位点进行封闭,反应后,将得到的MNPs@sspDNA洗涤,并浸泡在bufferB中,在4℃下保存备用,得到sspDNA功能化的磁性纳米粒子;
(4)(a)将sscDNA采用buffer B涡旋至DNA完全溶解,再加入三(2-羧乙基)膦(TCEP)水溶液,在25℃的摇床中反应1h;反应结束后,混合物用3K超滤离心管过滤洗涤除去未参加反应的sscDNA;
(b)称取GOx溶于buffer B中,涡旋混合均匀;称取4-(N-马来酰亚胺甲基)环己烷-1-羧酸磺酸基琥珀酰亚胺酯钠盐(suflo-SMCC)超声溶解于buffer B中,并将其加入到上述GOx溶液中,涡旋混合均匀;将混合液放置于摇床中,在25℃、反应1h,反应结束后,混合物用10K超滤离心管过滤洗涤除去未参加反应的sulfo-SMCC;
(c)将步骤(b)过滤好的GOx溶液与步骤(a)所得的sscDNA溶液混合在一起,在37℃的摇床中反应48h;反应结束后,混合物用10K超滤离心管过滤洗涤除去未反应完全的sscDNA,得到的GOx-sscDNA共轭物保存在4℃下备用,得到sscDNA修饰的葡萄糖氧化酶;
(5)将sspDNA功能化的磁性纳米粒子、sscDNA修饰的葡萄糖氧化酶和bufferA在37℃摇床中反应3h。,反应结束后,洗涤得到的通过DNA定向固定技术固定的葡萄糖氧化酶即固定化酶浸泡在buffer A中,保存在4℃下备用;
(6)将步骤(5)中合成的固定化酶与六水合硝酸铈、5'-腺嘌呤核苷酸二钠盐及bufferC混合反应,用buffer C润洗,得到镧系核苷酸配位聚合物封装的人造多酶系统。
2.按照权利要求1所述的一种镧系核苷酸配位聚合物封装DNA定向固定化酶用于构建人造多酶系统的方法,其特征在于,步骤(3)中所述的sspDNA的序列为5’-NH2-CTTGACTTCATCGAGGTCCAGTCA-3′,步骤(4)中sscDNA的序列为5’-SH-TGACTGGACCTCGATGAAGTCAAG-3’。
3.按照权利要求1所述的一种镧系核苷酸配位聚合物封装DNA定向固定化酶用于构建人造多酶系统的方法,其特征在于,sspDNA和sscDNA的使用量为每0.5OD,溶解在150μL的buffer A中。
4.按照权利要求1所述的一种镧系核苷酸配位聚合物封装DNA定向固定化酶用于构建人造多酶系统的方法,其特征在于,步骤(5)中sspDNA功能化的磁性纳米粒子与sscDNA修饰的葡萄糖氧化酶加入量质量比为25:2。
5.按照权利要求1所述的一种镧系核苷酸配位聚合物封装DNA定向固定化酶用于构建人造多酶系统的方法,其特征在于,步骤(6)中固定化酶的加入量和浓度分别为200μL、1mg/mL;六水合硝酸铈的加入量和浓度分别为100μL、50mM;5'-腺嘌呤核苷酸二钠盐的加入量和浓度分别为200μL、25mM。
6.按照权利要求1所述的一种镧系核苷酸配位聚合物封装DNA定向固定化酶用于构建人造多酶系统的方法,其特征在于,所述的buffer A为磷酸盐缓冲溶液,10mM,pH 7.4,0.1MNaCl;buffer B为磷酸盐缓冲溶液,10mM,pH 7.4,0.1M NaCl,0.05wt%Tween-20;buffer C为4-羟乙基哌嗪乙磺酸缓冲溶液,pH 7.4,25mM。
7.按照权利要求1所述的一种镧系核苷酸配位聚合物封装DNA定向固定化酶用于构建人造多酶系统的方法,其特征在于,制备的人工多酶系统为球形。
8.按照权利要求1所述的一种镧系核苷酸配位聚合物封装DNA定向固定化酶用于构建人造多酶系统的方法,其特征在于,磁性四氧化三铁纳米粒子粒径为250nm,修饰硅层后的磁球Fe3O4@SiO2粒径为290nm;封装后的人造多酶系统的粒径为330nm。
9.按照权利要求1-8任一项所述的人造多酶系统。
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