基于膜流动生物催化的区室化酶法合成手性胺及其连续流抑制消除策略

为解决多酶级联反应中酶固定化、辅因子循环、不相容酶分离及产物抑制等难题，研究人员开发了一种基于纳米多孔膜分区负载蛋白酶(Pro)和ω-转氨酶(ω-TA)的连续流生物催化系统。通过聚多巴胺/聚乙烯亚胺(PDA/PEI)分层固定技术实现辅因子PLP静电捕获和酶空间隔离，使氨基酸甲酯前体转化率达97±2%对映体过量(ee)，为手性药物合成提供可扩展新方案。

　　

在生物制药领域，手性胺是构建活性药物成分(API)的关键砌块。传统化学催化依赖有毒金属催化剂且反应条件苛刻，而生物催化虽具有立体选择性优势，却面临多酶协同的三大瓶颈：需要昂贵辅因子持续补充、不相容酶相互降解（如蛋白酶水解转氨酶）、产物累积导致酶活性抑制。这些限制使得现有批次反应效率低下，难以工业化应用。

澳大利亚研究理事会能源高效分离研究中心(ARC Research Hub for Energy-efficient Separation)的Sara Barricella团队在《Separation and Purification Technology》发表研究，创新性地将细胞区室化概念引入膜催化系统。他们选用商业超滤膜为载体，通过交替沉积聚多巴胺(PDA)和聚乙烯亚胺(PEI)构建纳米分层结构：外层固定蛋白酶(Pro)水解氨基酸甲酯，内层负载R-选择性ω-转氨酶(ω-TA)催化转胺反应，利用PEI的阳离子特性静电捕获辅因子PLP。这种"三明治"结构既阻隔了蛋白酶对转氨酶的降解，又通过连续流操作实时移除抑制性酮类副产物。

关键技术包括：1）膜表面PDA/PEI分层自组装构建pH稳定载体；2）死端过滤细胞(HP4750)精确控制停留时间；3）静电捕获实现PLP辅因子3次循环利用；4）HPLC监测对映体过量。

材料与方法
采用来自Bacillus licheniformis的蛋白酶和Neosartorya fischeri的R-ω-TA，在pH 7.4条件下通过PDA/PEI交替沉积实现酶固定，膜有效面积14.6 cm²。

结果与讨论
流动速率优化显示0.5 mL/min时转化率最高，停留时间与底物转化呈负相关。PEI层使PLP截留率达92%，显著降低辅因子成本。空间隔离使ω-TA活性保持率提升至批次的3.2倍，最终产物ee值达97±2%。

结论
该研究开创性地将天然代谢的区室化策略与流动化学结合，解决了多酶催化中"既要酶紧密协作又要物理隔离"的矛盾。膜反应器的可扩展性为手性药物连续化生产提供了新范式，其PLP循环策略更可拓展至其他辅因子依赖型反应。这种仿生设计为复杂生物催化系统的工程化提供了普适性思路。