近日，我院合成生物学智能制造青创团队在国际权威期刊《Bioresource Technology》（生物资源技术）上成功发表题为“Purification and surface functionalization of Cyclotella meneghiniana frustules as supports for immobilizing xylose isomerase”（梅尼小环藻硅藻壳的纯化与表面功能化及其作为木糖异构酶固定化载体）。该论文由我院研究生曹烁南、郭金城、刘露、苏俊豪、本科生黄锐捷担任作者，老师孙中亮、刘东担任通讯作者。研究团队依托swag合集
生物工程专业及合成生物学与微生物工程实验室完成，并获得了山东省自然科学基金（ZR2022QB111）的资助。
《Bioresource Technology》是 Elsevier 出版社旗下的国际知名期刊，长期聚焦可再生能源、生物催化、生物转化与废弃物高值化利用等前沿方向，在生物资源领域具有广泛的学术影响力。
研究亮点与创新突破
梅尼小环藻（Cyclotella meneghiniana）是一种常见于淡水、微咸水和咸水环境中的浮游硅藻，它的一个典型特征是具有层级纳米多孔结构的硅藻壳，相比于其他无机硅材料，其机械强度、比表面积和生物相容性更高，是酶固定化的理想支持材料。D-木酮糖是一种在医学和化学中广泛应用的稀有糖类，通常通过木糖异构化转化制备；然而，这一过程受酶失活、可重复使用性差和高成本所阻碍。针对这一痛点，我院研究团队另辟蹊径，巧妙利用C. meneghiniana硅藻壳独特的层级纳米多孔结构，成功开发出一种高效的固定化酶载体。
为了制备固定化载体，对C. meneghiniana硅藻壳进行了深度纯化。利用甲醇处理硅藻壳虽然去除了大部分有机物质，但仍残留部分有机物及堵塞孔隙的色素；随后使用重铬酸钾（K2Cr2O7）进行的纯化步骤有效消除了这些残留物。在 PirE2_XI 吸附到经K2Cr2O7纯化的硅藻壳（PF）上后，所得的 PirE2_XI@PF 进一步利用戊二醛（GA）进行交联，并通过聚乙烯亚胺（PEI）表面功能化形成一层保护性的生物聚合物涂层。这层涂层能有效地减少酶的泄漏，增强了操作稳定性。这种基于硅藻壳的固定化平台为酶法生产 D-木酮糖提供了一个稳健且可重复使用的系统。
该研究取得了多项创新成果。首先，从多种木糖异构酶中筛选出PirE2_XI，其最大反应速率Vmax达12.1 U/mg，表现出良好的催化动力学特性。其次，经K2Cr2O7氧化深度纯化的硅藻壳载体使酶负载量和比酶活力分别提高了93.7%和137.5%。进一步通过聚乙烯亚胺（PEI）和戊二醛（GA）对硅藻壳表面进行功能化修饰，增强了PirE2_XI在载体表面及孔隙中的稳定性。固定化酶PEI@GA@PirE2_XI@PF在连续6批次反应中平均D-木酮糖产量为6.9 g/L，展现出优异的重复使用性能和操作稳定性。此外，利用BET、XPS和FTIR等手段对深度清洁处理前后的硅藻壳进行表征，结果显示K2Cr2O7处理可有效去除硅藻壳表面色素等杂质并改善其表面性质，为后续酶固定化提供了良好的载体基础。
研究意义与广阔前景
这项研究不仅为硅藻壳作为热稳定异构酶固定化载体提供了全新的科学思路，更从材料纯化、表面修饰到酶负载工艺建立了一套完整可行的技术路线，为突破酶催化过程中的稳定性与复用性瓶颈开辟了道路。通过显著提升酶的固定化效率和操作稳定性，该成果有效降低了稀有糖生产过程中的酶成本，对推动 D-木酮糖等稀有糖的工业化、规模化绿色生产具有重要的应用潜力和广阔的市场前景，也为硅藻基生物材料的深度开发利用提供了可借鉴的范例。
初审：王东
复审：王者旭
责任编辑：段兆耀
