基于ZIF-8固定化内源性PLP辅酶的精氨酸脱羧酶一锅法高效合成胍丁胺

本研究针对胍丁胺生产中吡哆醛5′-磷酸（PLP）辅酶成本高、酶在碱性条件下失活等问题，开发了ZIF-8原位固定化内源性PLP的精氨酸脱羧酶（AdiA-M2）体系。该体系无需外源PLP添加，在碱性条件下转化率达95.16%，5次循环后产量达266.69 g/L，较现有方法提升1.67倍，为工业化生产提供了低成本高效解决方案。

　　

胍丁胺作为一种具有抗炎、降压、抗衰老等多重生理活性的聚胺类物质，其工业化生产长期面临两大瓶颈：一是传统化学合成法存在工艺复杂、污染严重等问题；二是生物催化法依赖昂贵的吡哆醛5′-磷酸（PLP）辅酶，其成本占比高达15%。更棘手的是，胍丁胺的碱性特性会导致反应体系pH值升高，使精氨酸脱羧酶（AdiA）发生解聚失活。现有解决方案如全细胞催化或游离酶体系，普遍存在转化率低（如Zhang等报道仅55.6%）、产物分离困难等缺陷。

针对这些挑战，来自中国的研究团队在《Biochemical Engineering Journal》发表创新成果。他们巧妙结合蛋白质工程与材料科学，开发出"一锅法"构建ZIF-8固定化AdiA-M2的催化体系。该研究首先利用实验室已有的AdiA-M2突变体（通过界面酸性氨基酸突变为碱性氨基酸获得），其内源性PLP辅酶通过希夫碱共价结合在活性中心，实现了辅酶的自循环利用。随后采用扫描电镜（SEM）和共聚焦显微镜（CLSM）证实了酶在ZIF-8骨架中的成功嵌入，关键创新点在于同步完成MOF材料合成与酶固定化的"一锅法"工艺。

Effect of 2-methylimidazole and Zn²⁺ on arginine decarboxylase immobilization
研究发现2-甲基咪唑和Zn²⁺在特定浓度范围内（分别≤0.8 M和≤60 mM）对酶活性无显著影响，这为后续固定化条件优化提供了安全窗口。通过动态光散射（DLS）分析显示，游离AdiA-M2在pH 8.0时解聚为二聚体，而固定化酶仍保持十聚体结构，解释了其碱性耐受机制。

Enhanced catalytic performance of AdiA@ZIF-8
固定化酶在pH 9.0条件下相对活性达游离酶的3.2倍，60°C处理1小时后保留82%活性（游离酶仅31%）。更令人瞩目的是，该体系在无需外源PLP条件下，初始转化率即达95.16%，5次循环累计产量266.69 g/L，较Sun等报道的全细胞催化最高产量（69.22 g/L）提升显著。

Structural stabilization mechanism
小角X射线散射（SAXS）和圆二色谱分析揭示，ZIF-8的刚性孔道结构通过限制酶蛋白构象变化，阻止了碱性条件下的亚基解离。分子动力学模拟显示，固定化酶的α-螺旋含量增加11.3%，B因子值降低，证实了材料对酶结构的稳定作用。

这项研究通过"内源性辅酶利用+材料固定化"的双重策略，实现了三大突破：一是彻底消除PLP辅酶添加需求，直接降低15%生产成本；二是创造性地解决了碱性条件下酶失活难题；三是简化了下游纯化流程。该工作不仅为胍丁胺工业化生产提供了新范式，其"一锅法"固定化策略对其它依赖辅酶的酶催化体系具有重要借鉴意义。作者在讨论中指出，未来可通过ZIF-8孔径调控进一步优化底物传质效率，并探索该技术在其他PLP依赖型脱羧酶中的应用潜力。