Alcalase Microarray Base on Metal Ion Modified Hollow Mesoporous Silica Spheres as a Sustainable and Efficient Catalysis Platform for Proteolysis
Alcalase Microarray Base on Metal Ion Modified Hollow Mesoporous Silica Spheres as a Sustainable and Efficient Catalysis Platform for Proteolysis
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基于金属离子修饰的中空介孔二氧化硅球的 Alcalase 微阵列作为可持续、高效的蛋白水解催化平台
DOI：
10.3389/fbioe.2020.00565
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发表时间：
2020-06
影响因子：
5.7
通讯作者：
Zheng Mingming
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Zeng Qi;Li Qi;Sun Di;Zheng Mingming
由于蛋白酶对环境因素的敏感性和在生物催化过程中的自溶性，其工业开发受到限制。本研究以不同金属离子修饰的中空介孔二氧化硅球（HMSS-NH2-Metal）为基础，通过简单的方法成功开发了碱解酶微阵列（Bacillus licheniformis, alcalase@HMSS-NH2-Metal）。在alcalase@HMSS-NH2-Metal （Ca2+, Zn2+, Fe3+, Cu2+）中，alcalase@HMSS-NH2-Fe3+表现出最好的固定化效率和酶学性能。这种定制的纳米复合材料通过金属-蛋白质亲和力将alcalase固定在具有蛋白质修饰位点的氨基-金属复合物的表面结合网络上。金属离子与alcalase之间的配位相互作用有利于改变酶的二级结构，从而显著提高alcalase的生物活性和热稳定性。制备的alcalase@HMSS-NH2-Fe3+具有良好的负载能力（227.8±23.7 mg/g）和蛋白水解活性。与游离形式相比，alcalase芯片的酶活性提高了5.3倍，alcalase@HMSS-NH2-Fe3+ (15.6 min−1)的表观动力学常数Vmax/Km比游离形式高1.9倍，酶解牛血清白蛋白（BSA）的生物催化效率提高了2.1倍。此外，这种特殊的固定策略有效地降低了alcalase在催化过程中因酶泄漏和自溶引起的生物活性损失。连续重复使用10次后，alcalase微阵列仍保持70.7±3.7%的初始活性。总的来说，本研究建立了一个有希望的策略来克服游离alcalase的缺点，为alcalase在可持续和高效的蛋白质水解中的应用提供了新的期望。
The industrial exploitation of protease is limited owing to its sensitivity to environmental factors and autolysis during biocatalytic processes. In the present study, the alcalase microarray (Bacillus licheniformis, alcalase@HMSS-NH2-Metal) based on different metal ions modified hollow mesoporous silica spheres (HMSS-NH2-Metal) was successfully developed via a facile approach. Among the alcalase@HMSS-NH2-Metal (Ca2+, Zn2+, Fe3+, Cu2+), the alcalase@HMSS-NH2-Fe3+ revealed the best immobilization efficiency and enzymatic properties. This tailor-made nanocomposite immobilized alcalase on a surface-bound network of amino-metal complex bearing protein-modifiable sites via metal-protein affinity. The coordination interaction between metal ion and alcalase advantageously changed the secondary structure of enzyme, thus significantly enhanced the bioactivities and thermostability of alcalase. The as-prepared alcalase@HMSS-NH2-Fe3+ exhibited excellent loading capacity (227.8 ± 23.7 mg/g) and proteolytic activity. Compared to free form, the amidase activity of alcalase microarray increased by 5.3-fold, the apparent kinetic constant Vmax/Km of alcalase@HMSS-NH2-Fe3+ (15.6 min−1) was 1.9-fold higher than that of free alcalase, and the biocatalysis efficiency increased by 2.1-fold for bovine serum albumin (BSA) digestion. Moreover, this particular immobilization strategy efficiently reduced the bioactivities losses of alcalase caused by enzyme leaking and autolysis during the catalytic process. The alcalase microarray still retained 70.7 ± 3.7% of the initial activity after 10 cycles of successive reuse. Overall, this study established a promising strategy to overcome disadvantages posed by free alcalase, which provided new expectations for the application of alcalase in sustainable and efficient proteolysis.
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