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一个三层的连续流催化Colloidosomal微反应器

安东尼奥·佩雷斯*^*

*通信:

安东尼奥·佩雷斯
编辑部,
Physcal Chemstry:一个印度日报》
英国,
电子邮件: (电子邮件保护)

引用:在三层Colloidosomal佩雷斯a连续流动催化微反应器。物理化学印第安纳j . 2021; 16 (6): 157。

文摘

由compartmentalising生物物种在半透膜,综合colloidosomes层次结构和先进的功能可以作为仿生微反应器进行催化反应。尽管最近的进步colloidosome设计,进一步的工作是要将生物和无机组件集成到生物催化的分层结构来解决剩下的问题。皮克林乳液的方法被用来创建一个三层colloidosomes的合理设计。微反应器的透壳是由交联的两亲性silica-polymer混合纳米颗粒,enzyme-incorporated催化子层和partially-silicified吸附腔。我们表明,lipase-catalyzed microcompartment内酯水解可以加速有机-无机杂化colloidosomes通过监禁和浓缩效果。催化colloidosomes然后挤成一列连续流的方式对酶促反应和更快的反应速率。合并的三层colloidosomes作为坚实的基础功能构件与空间仿生的区域化微反应器监管组织和高性能的功能。

介绍

的隔离生物分子和生化事件中膜结合microcompartments仿生微反应器的发展是一个至关重要的一步,可以模仿活细胞的基本功能。合成技术通常使用自发或引导亲水脂分子组装在解决方案或接口构建microcompartments脂肪酸囊泡和脂质体等,多聚体逐层胶囊,proteinosomes本土化酶组件。有自下而上的方法来演示各种cell-mimicking功能,如enzyme-mediated催化、脱氧核糖核酸(DNA)放大,和基因表达。Selfassembly胶体粒子(如二氧化硅球形颗粒,Janus微凝胶,含金属混合颗粒,金属-有机框架,或磁性粒子)在油/水界面通过皮克林乳液最近开发生产cell-sized colloidosomal microcompartments。有序的胶体聚合这些半透和强大的结构,已被用来复制生物膜。等应用基因表达、酶反应、人工细胞骨架组装,细胞生长和分裂,细胞通讯,colloidosomal微反应器用于房屋集成生物或仿生过程。

空间组织能力构建组件在一个受限区域,最终优化人工系统的功能这些细胞样的结构是一个至关重要的一步。这通常需要使用大量的共价的部队组织活跃在microcompartments材料。此外,高效的公共交通运输是至关重要的在colloidosomes改善功能流程的效率,尤其是多相反应。在这项研究中,我们希望看到如果我们能将不同colloidosome建筑组件集成到细胞样的microcompartments显微结构的层次结构和使用它们作为微反应器。总的来说,我们表明,分层colloidosomes混合半透膜,一个酶子层,和一个水室内充满了吸附硅纳米粒子可能是设计合理。浴反应系统和连续流系统中,我们采用colloidosomes仿生微反应器和执行enzyme-catalytic反应在membrane-gated microcompartments。

结果

建设层次三层colloidosomes——colloidosomal微反应器与交联SiPNPs透壳层,内部子层连接酶催化部位,和一个硅nanoparticle-filled吸附腔是有效的。不均SiPNPs是由合成3 - (trimethoxysilyl)甲基丙烯酸丙酯(TPM)的亲水二氧化硅纳米粒子一步乳液。的胶体amphiphilicity SiPNPs产生亲水性硅和疏水性聚合物,提供高粒子分散性在有机溶剂(如甲苯和isooctanol)和水。该特性还允许使用SiPNPs稳定剂的toluenein-water(油/水)和water-in-isooctanol皮克林乳液(水/油)。我们形成油包水皮克林乳液的孵化水溶液中脂肪酶(1.5 mg mL1中引入Tris-HCl缓冲区)isooctanol悬挂的两亲性SiPNPs(1毫克mL1中引入)向colloidosomes整合酶。与SiPNPs络合后,我们发现脂肪酶保留其催化活性。的enzyme-incorporated microcompartments保持结构稳定的几个星期,但乳剂稳定通过脂肪酶反乳化在不到20分钟,展示两亲性SiPNPs colloidosome稳定的重要性。

三层colloidosomes改善催化反应,我们提出三层colloidosomes可以作为微反应器,可以丰富酶底物为增强催化反应,因为他们能够有效地吸收外国分子在油和水阶段。测试理论,我们对硝基苯棕榈酸酯的水解(p-NPP) lipase-loaded colloidosomes交联前后,发现油溶性p-NPP被水解成黄色化合物称为p-nitrophenol,它有一个410纳米吸收峰。水解反应与lipase-loaded noncrosslinked colloidosomes比与交联colloidosomes起初慢。免费对脂肪酶催化反应被证明是更加缓慢,突显出的必要性colloidosomal微反应器在增加密闭流程。主要原因可能是colloidosomal微反应器的反应界面面积大大增加。光学显微镜证实存在lipase-catalyzed p-NPP水解在限制colloidosomal微反应器,在无色microcompartments变成黄色后反应。催化反应速率的增加,交联colloidosomes很可能由于底物的吸附腔的浓缩p-NPP二氧化硅纳米颗粒。吸附硅在补充强调的重要性,在那里发现的第一反应速率随着TMOS的数量增加而增加(硅前体)。因为产品的浓度在colloidosomes(硝基酚和棕榈酸),反应速度在最初阶段。

酯水解在三层colloidosome-filled列反应堆,我们提出了一个连续流系统去除水解产品和维持长期colloidosomes为了避免缓慢反应的催化活性在最初阶段。的三层colloidosomal微反应器(45米)挤在列提供足够的空白油流通过渠道,减少压降的列。反应产物(甘油和丁酸)可以有效地去除射流与疏水的不断涌入甘油基tributyrate (GTB) lipase-containing colloidosomal微反应器,导致快速非平衡反应条件下水解率。colloidosomes的层次结构是由3所示d-reconstructed样品形貌图像,与红色荧光代表RhITC-lipase的催化层和表示吸附silica-dispersing腔的绿色荧光。

讨论

最后,我们建立了三层催化colloidosomes与混合silicapolymer半透膜层,一种酶子层,内部能进行生物分子的水腔。有机颜色、蛋白质、多糖和DNA有选择地microcompartments隔离,使酶的加速度反应。采用连续流动反应的形式,我们可以减少产品的积累造成的抑制作用将threetiered colloidosomes列成流。我们的研究结果显示一个复杂的战略整合各种建筑作品与最佳分级室功能可用于多种领域,包括微反应器、仿生学、合成生物学、纳米。一个可能的方法来celllike microcompartments和催化微反应器的组合层次结构和非平衡反应。