神操作：137 ℃下酶不失活，催化活性反而极大提高

纤维素是地球上最丰富的可再生资源，对纤维素的开发利用是人类解决资源能源危机的重要途径之一。然而，纤维素的溶解一直是一个非常棘手的问题，另外将纤维素有效地转化成能够利用的化工原料也是巨大的挑战。对于这些实验室和工业生产中难题，自然界中的酶能够很容易将纤维素降解。但是当放大自然界中的酶催化降解纤维素的过程时，研究者们也遇到了不少问题：（1）催化过程反应缓慢；（2）酶的热稳定性较差，该催化过程一般只能在25-37 ℃之间进行；（3）该催化过程需要大量的水，而水的净化是一个非常耗能的过程。目前，工业上将纤维素分解成葡萄糖的过程依赖于三种不同的酶，其中内切纤维素酶、外切纤维素酶催化纤维素水解成多糖，使纤维素溶于水，而葡萄糖苷酶则催化多糖分解成葡萄糖。葡萄糖苷酶降解多糖是该过程的瓶颈，也是该领域的研究重点之一。

酶催化纤维素降解的机理图。图片来源：Nat. Chem.

最近，英国帝国理工学院的Jason P. Hallett教授（点击查看介绍）等人做出了突破，他们通过对葡萄糖苷酶进行表面阳离子化，以离子液体（ionic liquid）代替水作为溶剂，然后利用阳离子化的葡萄糖苷酶在离子液体中降解纤维素。该反应过程中的酶在137 ℃时依然具有良好的催化活性，并且在100℃以上催化效率是在水溶液中的约30倍，极大提高了纤维素的催化降解效率。该工作发表在Nature Chemistry 上。

Jason P. Hallett教授。图片来源：Imperial College London

离子液体是一种相对较新的溶剂，具有广阔的工业应用前景。纤维素等天然生物高分子在离子液体中具有良好的溶解度，Jason P. Hallett教授等人一直在研究离子液体在提高葡萄糖苷酶催化纤维素降解效率方面的用途。在这篇工作中，他们对葡萄糖苷酶（来自于黑曲霉）进行表面阳离子化，以提高其在离子液体和高温条件下的稳定性和溶解度，并利用同步辐射圆二色谱和小角X射线散射证明修饰之后的酶在不同种离子液体（分别为[bmpyrr][OAc]、[bmpyrr][OTf]和[bmpyrr][NTf₂]）中结构稳定且分散均匀。

同步辐射圆二色谱（a）和小角度X射线散射（b）表征阳离子化之后的葡萄糖苷酶在不同种离子液体中的结构。图片来源：Nat. Chem.

接着工作人员研究了阳离子化之后的酶在离子液体中的催化性能，实验取得意想不到的结果。纤维素能够直接溶于离子液体，因此阳离子化的葡萄糖苷酶能够直接降解纤维素，不需要另外两种酶的辅助。通过优化溶剂和酶的修饰过程，研究人员发现在100 ℃以上酶的活性提高了30倍，表明生物酶的催化能力能够通过修饰来提高。此外，酶的热稳定性也大幅提高，在高达137 ℃时依然可保持良好的催化活性。在苛刻的实验条件下，这种酶依然能以恒定的速率工作至少7天，这对工业生物催化具有重要的应用价值。

阳离子化的葡萄糖苷酶在离子液体中稳定性和催化活性与温度之间的关系。图片来源：Nat. Chem.

总的来说，作者通过对葡萄糖苷酶进行表面阳离子化，极大提高了酶在离子液体中的稳定性和催化活性。并利用离子液体直接溶解纤维素，实现了纤维素的直接降解，避免了常规工艺中蛋白酶此前遇到的问题。本工作证明了自然界中的蛋白酶能够通过后期的修饰来提高催化性能和稳定性，在纤维素等生物质的开发利用方面具有重要的应用价值和启发意义，有利于人类解决资源能源危机问题。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Non-aqueous homogenous biocatalytic conversion of polysaccharides in ionic liquids using chemically modified glucosidase

Nat. Chem., 2018, 10, 859–865, DOI: 10.1038/s41557-018-0088-6

导师介绍

Jason P. Hallett

http://www.x-mol.com/university/faculty/34300

参考资料：

http://www.diamond.ac.uk/Science/Research/Highlights/2018/Enhancing-enzyme-activity-in-ionic-solvents.html

（本文由Sunshine供稿）