分子印迹合成糖苷酶：纤维素的水系与非水系催化水解

木质纤维素生物质是地球上最主要的可再生资源，每年产生规模高达1700-2000亿吨。若可以开发高效的木质纤维素生物质降解转化途径，将有望解决人类日益严重的能源危机并极大地促进国民经济可持续发展。纤维素占木质纤维素的35%-50%，是最具代表性的一类生物质资源。将纤维素解聚为可溶性单体糖和低聚糖是实现纤维素资源利用转化的第一步，但由于纤维素纤维本身结构特点造成纤维素水解往往需要较高的温度和复杂的溶剂，即使使用天然的纤维素酶催化水解，也面临着酶结构不稳定易失活的问题。开发低能耗且条件温和的多兼容催化剂，不仅有望克服纤维素溶解度差的自身特性，而且能避免苛刻条件下产物去官能团化造成的应用价值降低，是突破纤维素高效转化与可持续利用的有效途径。

最近，爱荷华州立大学的Yan Zhao（点击查看介绍）课题组结合β-葡萄糖苷酶水解机理的启发，设计合成了基于自组装胶束分子印迹人工糖苷酶催化剂，不仅在水相实现了纤维素的高效催化水解为葡萄糖，催化活性达到商业化的纤维素水解酶（cellulase）的25%，而且得益于这类催化剂的结构稳定性与溶剂兼容性，这类催化剂也可兼容下咪唑盐离子液体与极性有机溶剂，条件优化后使得纤维素催化水解活性首次超越了纤维素酶多倍。并将催化剂共价修饰与磁性纳米粒子表面解决了催化剂分离回收和反复利用的难题（图1）。

图1. 分子印迹人工糖苷酶高效催化纤维素水解示意图。图片来源：J. Am. Chem. Soc.

作者通过课题组发展起来的自组装胶束分子印迹技术（J. Am. Chem. Soc., 2013, 135, 12552），结合前期研究工作中构建硼亲和高选择性葡萄糖键合分子印迹纳米颗粒的研究基础（J. Am. Chem. Soc., 2016, 138, 9759; J. Am. Chem. Soc., 2017, 139, 829; Chem. Sci., 2021, 12, 374），创造性地设计合成了两类分子印迹合成糖苷酶（图2）。通过特定的模板分子设计与合，构筑了boroxole定位的糖特异性结合位点，结合亚胺键（imine-bond）的动态可逆性，精准共价“锚定”催化官能团于待水解底物附近。这种基于亚胺键的可逆功能化修饰，也便于系统地筛选各类催化官能团，以最大化人工催化剂的纤维二糖和纤维素的催化水解活性。

图2. 分子印迹人工糖苷酶催化剂设计合成示意图。图片来源：J. Am. Chem. Soc.

在以纤维二糖为替代物的催化活性优化后，作者结合天然β-葡萄糖苷酶高效质子传递水解机理，Michaelis-Menten酶促动力学分析系统地比较了两类催化剂水体系中的催化效果，并通过系统地pH优化，进一步提升了催化剂的催化活性。最后系统地研究了水体系与离子液体-极性有机溶剂体系下纤维素催化水解，并在非水体系中首次将人工合成糖苷酶的催化活性提高至超过商业可得糖苷酶（cellulase）的8倍（图3a）。结合点击化学将催化剂负载到磁性纳米粒子上，也实现了这类催化剂的分离回收和循环利用。研究发现，这类催化剂即使循环使用10次仍能保持其原始催化活性的75%以上（图3b）。

图3.（a）两类分子印迹人工糖苷酶和天然糖苷酶cellulase催化水解纤维素比较；（b）分子印迹人工糖苷酶负载的磁性纳米粒子催化剂的回收循环再利用。图片来源：J. Am. Chem. Soc.

综上，这项工作发展了一类高活性和高兼容性的分子印迹糖苷酶用于纤维素的催化水解，不仅拓宽了纤维素催化转化的可操作性，而且为“自下而上”快速构建人工仿酶活性催化位点提供了新思路。相关成果近期发表于J. Am. Chem. Soc.，第一作者是李晓伟博士，Yan Zhao教授为本文的通讯作者。

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Molecularly Imprinted Synthetic Glucosidase for the Hydrolysis of Cellulose in Aqueous and Nonaqueous Solutions

Xiaowei Li, Milad Zangiabadi, Yan Zhao

J. Am. Chem. Soc., 2021, 143, 5172–5181, DOI: 10.1021/jacs.1c01352

导师介绍：

Yan Zhao

http://www.chem.iastate.edu/faculty/Yan_Zhao/ 

https://www.x-mol.com/university/faculty/2871