分子包埋法

分子包埋是利用蛋白質上的某些基團可以與修飾劑反應的特點，將蛋白質先與修飾劑反應，再進行單個蛋白分子包埋的技術。

基本介紹

• 中文名：分子包埋法
• 外文名：encapsulation
• 粒徑：納米尺寸
• 方法：共價結合包埋法、吸附包埋法
• 套用：藥物製備、微反應器等
• 特點：蛋白質的某些基團與修飾劑反應

分子包埋是一種新興的蛋白質包埋方法，相對於傳統包埋方法而言，由於每個有機/無機多孔材料形成的網路中心只有單個蛋白分子，使得單個蛋白分子接觸底物的機會達到最高，而且蛋白質分子外層的格線結構往往製成納米級厚度，這樣大大克服了傳質阻力，使單分子包埋的蛋白質的活性和穩定性得到極大的提高，從而使單分子包埋蛋白質的套用範圍擴大到藥物製備、生物燃料電池及微反應器等領域。

分類

根據蛋白質與修飾劑的作用方式不同，蛋白質的單分子包埋可以分為共價結合包埋、吸附包埋等方法。

共價結合包埋法

由於氨基往往存在於蛋白質分子表面，加之較高的親核反應活性，使之成為目前蛋白質修飾中最常用的被修飾基團。不同的修飾劑可以使蛋白質的單分子包埋在不同的溶液體系中進行。

（1）有機相中的包埋

Kim等採用丙烯醯氯與α-胰凝乳蛋白酶（CT）表面的氨基發生共價結合反應，引入乙烯基團，再通過聚合，在酶分子表面形成一層聚合物網路，從而獲得單分子酶納米顆粒（Single-enzyme nanoparticles，SENs）。包埋過程由以下3步組成：（a）酶的表面修飾：酶表面氨基與丙烯醯氯反應引入乙烯基團；（b）改性後的酶通過增溶作用可以從水相進入有機相溶劑中，然後，酶表面發生乙烯基聚合物的生長；（c）聚合物鏈聚合，使酶表面網路化，生成單分子酶納米顆粒。

（2）水溶液中的包埋

琥珀醯亞胺酯基與蛋白質分子上的氨基具有較高的反應活性 ，反應條件溫和，反應速度快。常見的與蛋白質的氨基反應的物質有N-丙烯醯氧基琥珀醯亞胺、帶有琥珀醯亞胺酯基的線性聚合物、帶有琥珀醯亞胺酯基的聚乙二醇（PEG）鏈以及含N-丙烯醯氧基琥珀醯亞胺聚合物微球P等。

吸附包埋法

蛋白質的胺基酸分子中既含有氨基，又含有羧基，是一種兩性物質。當外界溶液的pH與蛋白質的等電點不同時，蛋白質會帶有不同的電荷，從而對帶有相反電荷的物質產生吸附作用。

（1）蛋白質與單體的吸附

Zhen等設計出了一種合成單分子蛋白質納米微囊（NC）的方法。該方法分成兩步：（a）半胱氨酸蛋白酶-3（CP3）的表面修飾：以靜電力、范德華力等物理吸附方式將單體（丙烯醯胺，N-(3-丙氨基)甲基丙烯醯胺）連線於蛋白質表面；（b）採用雙丙烯醯化Val-Asp-Glu-Val-Asp-Thr-Lys（CL-VDEDTK）為交聯劑 ，在溶液中進行原位自由基聚合反應形成聚合物包埋層。

（2）蛋白質與包埋材料的吸附

Patil等提出了一種核-殼結構模型，即單個的蛋白質或酶分子通過與氨基功能化的層狀有機矽酸鎂的吸附作用將蛋白質包埋成有機粘土納米顆粒。

性能

檢測表明，經過單分子包埋的蛋白質的活性穩定性、熱穩定性、耐有機溶劑等性能都得到了較大的提高。

分子包埋蛋白質的活性穩定性

蛋白質的包埋往往會造成蛋白質一定程度的變構，降低其活性，同時包埋的蛋白質或酶與底物之間的接觸機率降低，造成催化效率進一步降低。但是，分子包埋的蛋白質可以較好克服這些問題。

製備的包埋單個酶分子的納米凝膠，納米凝膠內的微環境不僅限制了酶的變構，而且含水凝膠的柔性微環境使酶在起催化作用時，能夠發生柔性變化，從而和底物更好地結合，發揮較高的催化效果。同時，由於凝膠尺寸很小，為納米級，底物很容易從外擴散到酶分子的表面，擴散阻力小，能較好體現酶的活性。

分子包埋蛋白質的熱穩定性

比較pH為7.0時，從30℃到85℃，游離和納米凝膠中HRP的熱穩定性。游離HRP在高於40℃後開始失去其活性，而納米凝膠HRP直到65℃都保持穩定。在65℃下放置90min後，納米凝膠HRP仍保持初始活性的80%，而游離酶則完全失活。納米凝膠HRP熱穩定性的顯著增強，是由於凝膠中的聚合物阻礙了酶受溫度影響的失活變構，從而表現了較好的熱穩定性。

分子包埋蛋白質在有機相中的穩定性

一般來說，酶在有機溶劑中較易失活或活性降低。研究表明，水對維持酶的活性結構必不可少，但只要保證酶分子表面的一小部分必需水，其它大部分水完全可以被有機溶劑取代而不影響酶的活性。

套用

目前，單分子包埋蛋白質研究的主要對象是酶分子，酶作為一種生物催化劑，具有許多優點，但酶存在的穩定性差、易變性失活、利用率低等缺陷，限制了它的廣泛套用。上面提到的單分子包埋酶不僅提高了酶的穩定性，還可以提高酶負載量、酶活性等，所以，我們可以預期，單分子包埋酶能在比如延長酶反應器的壽命、提高酶的重複利用性等方面帶來更多的實際套用。下面介紹單分子包埋酶在如藥物製備、生物燃料電池和微反應器等方面的一些套用。

在藥物製備方面的套用

分子蛋白質納米微囊的方法，具有以下優點：（1）屬於非共價包埋，既能防止蛋白質聚集又能防止蛋白質水解及變性；（2）當靶向蛋白到達目標細胞，外面的保護層能夠分解掉；（3）能夠提高含有靶向蛋白的靶向藥物穿過細胞膜的效率。已經成功包埋CP3並實現了外包層的自我降解，這種蛋白酶調控型的設計可以進一步改進，使外部蛋白酶也能激發納米微囊的降解過程，而且降解過程的時空控制可通過禁止蛋白酶的識別序列實現。

在生物燃料電池方面的套用

酶生物燃料電池是一項很有發展潛力的技術。生物燃料電池能量轉化效率高、生物相容性好、原料來源廣泛
、可以用多種天然有機物作為燃料，是一種真正意義上的綠色電池。我們可以利用葡萄糖、果糖、乙醇以及油等生物燃料作為原料進行發電。酶燃料電池需要在幾個月甚至更長的時間內連續穩定工作，而且要求酶必須適應其使用環境，以保持長期工作下酶的催化活性。被吸附於介孔物質中的單分子酶納米顆粒以及其它的一些納米級固定化酶的方法可以提高酶的負載量，提高能量密度，有效延長生物燃料電池的壽命。

在微反應器中的套用

單分子包埋的酶的尺寸屬於納米級，通過多尺度的材料設計思路，可以將其裝載到微米級微反應器內，並且微反應器可以繼續填充在巨觀的反應床內，製成單分子包埋酶的微反應器，為實現納米酶在工業上的套用奠定了基礎。