合成生物催化中關(guān)鍵科學(xué)問題的研究進(jìn)展

張松平，蘇志國，姬曉元，2

1.中國科學(xué)院過程工程研究所，生化工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100190 2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049

合成生物催化中關(guān)鍵科學(xué)問題的研究進(jìn)展

張松平1，蘇志國1，姬曉元1，2

1.中國科學(xué)院過程工程研究所，生化工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100190 2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049

合成生物催化以多酶催化為特征，通過靈活選擇不同功能的酶和反應(yīng)路線設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜生物基化學(xué)品的合成，在反應(yīng)效率、原子經(jīng)濟(jì)性和環(huán)境友好方面有著不可替代性。但是其還存在兩個(gè)關(guān)鍵科學(xué)問題：①氧化還原酶催化過程中輔酶的循環(huán)再生和重復(fù)利用；②酶在非水相和油水兩相反應(yīng)體系中如何實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定。以CO2合成生物甲醇和天然油脂制備生物聚氨酯材料這兩個(gè)具有代表性的多酶催化過程為例，介紹了合成生物催化關(guān)鍵科學(xué)問題的研究進(jìn)展。其中，新型納米材料與生物技術(shù)相結(jié)合在解決催化體系中輔酶再生、多酶協(xié)同以及酶的界面穩(wěn)定方面有著廣闊的發(fā)展前景。

合成生物催化；輔酶再生；油-水界面催化；CO2轉(zhuǎn)化；生物基聚氨酯

工業(yè)生物催化是全球生物經(jīng)濟(jì)發(fā)展的核心任務(wù)之一。近十年來，構(gòu)建和應(yīng)用多酶催化系統(tǒng)成為生物催化發(fā)展的主要趨勢(shì)。將具有不同催化功能的生物酶組合在一起，通過靈活設(shè)計(jì)反應(yīng)路線，可以在生物體外實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)微生物發(fā)酵過程難以完成的復(fù)雜生物合成過程，并具有更高的原子經(jīng)濟(jì)性和環(huán)境友好性。如美國弗吉尼亞大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)曾構(gòu)建了由13種酶和輔酶級(jí)聯(lián)反應(yīng)催化木糖產(chǎn)氫的路線，產(chǎn)氫率可以達(dá)到微生物產(chǎn)氫理論值的近3倍[1]。因此，以多酶催化為特征的合成生物催化過程，最初只是作為合成生物學(xué)的概念之一，到現(xiàn)在正迅速向?qū)嶋H應(yīng)用推進(jìn)，已經(jīng)拓展至生物基化學(xué)品、材料、燃料等更加復(fù)雜的生物合成領(lǐng)域。

合成生物催化為生物催化技術(shù)帶來新的發(fā)展機(jī)遇的同時(shí)，也為其應(yīng)用帶來更大的挑戰(zhàn)。2012年，Bornscheuer等[2]展望了生物催化工程面臨的挑戰(zhàn)，并指出，將復(fù)雜的多酶體系在納米器件上進(jìn)行集成組裝是生物催化工程未來發(fā)展的希望；然而，將多酶體系在非生物基質(zhì)和納米材料上進(jìn)行集成，目前仍然效率低下。這主要是因?yàn)榕c單一酶催化過程相比，多酶催化體系和催化過程更加復(fù)雜。如在上述的木糖產(chǎn)氫的多酶體系中，輔酶的經(jīng)濟(jì)性循環(huán)再生和重復(fù)利用還沒有實(shí)現(xiàn)。此外，酶來自水相，而許多的酶催化過程會(huì)涉及有機(jī)相催化、油水兩相界面催化，甚至氣液多相催化。酶在上述非天然環(huán)境下的活性和穩(wěn)定性也是一個(gè)挑戰(zhàn)。固定化酶是工業(yè)生物催化劑的主要形態(tài)。隨著納米材料科學(xué)的發(fā)展，通過將生物酶的高催化活性和納米材料豐富的結(jié)構(gòu)與功能結(jié)合為一體，創(chuàng)造納米尺度的新的固定化酶和多酶系統(tǒng)，探索納米材料結(jié)構(gòu)和組成對(duì)多酶催化（包括輔酶再生）、非水相催化等復(fù)雜催化過程中的微觀調(diào)控機(jī)理和作用規(guī)律，正在不斷實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)的突破[3-6]。本文將結(jié)合CO2經(jīng)過多步酶催化生成甲醇，以及天然油脂經(jīng)脂肪酶催化制備生物聚氨酯材料這兩個(gè)具有代表性的生物基化學(xué)品制造過程，介紹合成生物催化的一些近期進(jìn)展。前者是包括輔酶再生的多酶催化研究領(lǐng)域最具代表性的反應(yīng)體系之一，而后者則涉及酶的油水界面穩(wěn)定的難題。重點(diǎn)介紹新型納米材料與生物技術(shù)相結(jié)合，在解決上述合成生物催化體系中輔酶再生和多酶協(xié)同，以及酶的界面穩(wěn)定等問題中的創(chuàng)新應(yīng)用。

1 CO2多酶催化合成甲醇的過程中輔酶再生的問題

1.1 CO2的多酶催化轉(zhuǎn)化系統(tǒng)

CO2是主要的溫室氣體，也是自然界最重要和最豐富的碳源。CO2過量排放帶來的環(huán)境問題受到國際社會(huì)的日益關(guān)注，將CO2轉(zhuǎn)化為燃料或化學(xué)品，無疑是解決CO2排放和能源危機(jī)“一石二鳥”的策略。已有多篇綜述報(bào)道了利用化學(xué)催化[7]、電催化[8]以及酶催化[9-10]來實(shí)現(xiàn)CO2的捕集并轉(zhuǎn)化為甲酸、CO、甲烷以及甲醇等高附加值化學(xué)品。其中通過甲酸脫氫酶（FateDH）、甲醛脫氫酶（FaldDH）、醇脫氫酶（ADH）催化的級(jí)聯(lián)反應(yīng)，將CO2逐級(jí)還原為甲醇，具有環(huán)保節(jié)能、產(chǎn)物熱值高的突出優(yōu)勢(shì)[9]。

由圖1所示的反應(yīng)式可知，每合成1mol甲醇，需要消耗3mol昂貴的輔酶NADH作為共同底物。因此無論是從反應(yīng)熱力學(xué)，還是提高過程的經(jīng)濟(jì)可行性方面，對(duì)輔酶進(jìn)行有效的循環(huán)再生和重復(fù)使用都是至關(guān)重要的。

圖1 FateDH、FaldDH和ADH級(jí)聯(lián)反應(yīng)催化CO2合成甲醇

1.2 通過多酶偶聯(lián)實(shí)現(xiàn)輔酶再生的催化系統(tǒng)

自1999年Obert和Dave首次報(bào)道通過圖1所示的級(jí)聯(lián)反應(yīng)路線成功實(shí)現(xiàn)CO2合成甲醇以來[11]，人們針對(duì)這一反應(yīng)體系進(jìn)行了大量的研究，通過納米顆粒表面固定化[12]、微囊包埋[13-15]等多種方法實(shí)現(xiàn)了酶的重復(fù)使用，并使反應(yīng)效率得到一定程度的提高。如Wang等[15]基于生物礦化和生物黏合的方法，構(gòu)建超薄雜化微囊共包埋多酶體系，使甲醇的得率由游離酶體系的35.5%提高到71.6%，并實(shí)現(xiàn)了3種酶的重復(fù)使用。但是過程的效率、產(chǎn)率，尤其是輔酶再生和循環(huán)使用的難題一直未能很好解決。其主要難點(diǎn)在于輔酶是一種小分子化合物，作為氧化還原酶催化過程中的電子傳遞載體，必須有效地結(jié)合到酶的活性中心才能發(fā)揮作用。通常用于酶固定化的物理包埋方法和材料，難以有效截留輔酶；而化學(xué)共價(jià)固定化，則會(huì)導(dǎo)致輔酶無法與氧化還原酶有效結(jié)合，使輔酶活性降低甚至完全失去活性[16]。如El-Zahab等[12]將CO2多酶催化合成甲醇這一反應(yīng)體系與谷氨酸脫氫酶（GDH）相偶聯(lián)用于NADH再生，并嘗試將多酶與輔酶分別共價(jià)固定化在納米顆粒的表面，實(shí)現(xiàn)了NADH再生與重復(fù)使用。雖然這種納米顆粒多酶體系循環(huán)7次后產(chǎn)率仍能維持初始產(chǎn)率的80%，但是單次甲醇的得率卻僅有5%左右。正是由于上述難點(diǎn)，近10年來Nature上發(fā)表的2篇關(guān)于酶催化的綜述文章中，均將輔酶的重復(fù)利用和再生視為酶工程應(yīng)用最大難題[2，17]。

為了解決這一難題，筆者研究團(tuán)隊(duì)發(fā)明了一種同軸共紡靜電紡絲技術(shù)[18]，可以直接制備出中空納米纖維，制備過程如圖2所示。由于其具有直徑約300～500nm的空腔，可以將酶直接裝載在空腔內(nèi)部，裝載率100%，納米空腔促進(jìn)酶和輔酶之間協(xié)同作用；多孔（3nm）纖維壁可以截留空腔內(nèi)的酶分子，確保原料和產(chǎn)物小分子自由通過纖維壁，擴(kuò)散阻力小，因此與其他的納米材料相比，用于固定化酶，尤其是多酶體系具有明顯優(yōu)勢(shì)[20]。

在設(shè)計(jì)和制備上述新型中空納米纖維材料的基礎(chǔ)上，為了進(jìn)一步解決輔酶在中空納米纖維腔室內(nèi)截留的問題，結(jié)合分子組裝的原理，筆者研究團(tuán)隊(duì)提出了一種通過線性聚合電解質(zhì)拴綁輔酶的創(chuàng)新策略，在制備中空納米纖維的過程中，加入帶有正電荷的聚合電解質(zhì)PAH，通過PAH與帶有負(fù)電荷的輔酶之間的電荷相互作用，將輔酶像放風(fēng)箏一樣拴綁在纖維內(nèi)壁上，避免了以往催化過程中輔酶的流失。同時(shí)，穿插到中空納米纖維外表面的PAH還可以將碳酸酐酶定位組裝在纖維外表面，促進(jìn)CO2的水合作用。組裝于纖維骨架和腔室中的多酶和輔酶偶聯(lián)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了CO2轉(zhuǎn)化為甲醇，同時(shí)腔室中的輔酶利用谷氨酸脫氫酶偶聯(lián)反應(yīng)，從氧化態(tài)恢復(fù)到還原態(tài)，實(shí)現(xiàn)了輔酶的原位再生以及多酶的重復(fù)使用。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，利用中空納米纖維材料強(qiáng)化了5種酶和輔酶之間的協(xié)同作用，在解決了輔酶再生和重復(fù)使用的難題的同時(shí)，其催化CO2合成甲醇基于輔酶的得率達(dá)到103%，比游離多酶體系提高了近3倍[19]。

圖2 利用中空納米纖維強(qiáng)化包括輔酶再生的多酶催化系統(tǒng)，用于CO2合成甲醇[19]

1.3 通過光-酶偶聯(lián)實(shí)現(xiàn)輔酶再生的催化系統(tǒng)

上述研究最大的突破是實(shí)現(xiàn)了輔酶的固定化和重復(fù)使用，而且通過線性聚合電解質(zhì)實(shí)現(xiàn)并促進(jìn)了輔酶與多種氧化還原酶之間的高效協(xié)同。但是輔酶NADH的循環(huán)再生，仍然是通過偶聯(lián)另外一種以氧化型輔酶NAD+為底物的氧化還原酶來實(shí)現(xiàn)。與這一常用的通過多酶偶聯(lián)反應(yīng)進(jìn)行輔酶再生方法相比，光化學(xué)輔酶再生不需要引入額外的酶以及相應(yīng)的底物和產(chǎn)物，減少目標(biāo)產(chǎn)物分離純化的負(fù)擔(dān)，因此更具經(jīng)濟(jì)性和優(yōu)勢(shì)[21-22]。特別是隨著各種新型可吸收太陽能激發(fā)電子的光敏劑以及傳遞電子的電子媒介的成功合成，人們已經(jīng)可以在可見光條件下，進(jìn)行輔酶的光化學(xué)再生[23]，通過與CO2還原的多酶催化反應(yīng)相耦合，也成功實(shí)現(xiàn)了以太陽能驅(qū)動(dòng)的甲醇的合成[24]。天津大學(xué)姜忠義團(tuán)隊(duì)的綜述文章中，對(duì)酶-光耦合催化系統(tǒng)轉(zhuǎn)化CO2的研究進(jìn)展進(jìn)行了詳細(xì)的總結(jié)[25]。石墨烯[26]、C3N4[27-28]等一批具有優(yōu)異光電性能的新型納米材料，實(shí)現(xiàn)了輔酶的高效光催化再生。Huang等[28]受自然界光合作用體系中葉綠體類囊體結(jié)構(gòu)啟發(fā)，制備了一種高比表面積和光捕獲性能優(yōu)異的g-C3N4介孔微球進(jìn)行NADH的光催化再生。在電子媒介[Cp*Rh（bpy）H2O]2+協(xié)助下，NADH再生率在反應(yīng)30min后達(dá)到100%，即使在無電子媒介協(xié)助條件下，NADH在30min內(nèi)的再生效率也能夠達(dá)到50%。

在目前的研究中，大都是簡(jiǎn)單地將光敏劑、電子媒介、輔酶以及氧化還原酶體系按照一定的配比分散到反應(yīng)溶液中。在這樣的體系中，激發(fā)電子的隨機(jī)傳遞和轉(zhuǎn)移將顯著影響太陽能的利用效率，甚至發(fā)生光電子的逆向傳遞，導(dǎo)致能量的損失[22，29]；另外分散的光敏劑、電子媒介以及氧化還原酶、輔酶分子穩(wěn)定性較差，價(jià)格昂貴且不能重復(fù)利用。如何將光催化-酶催化進(jìn)行集成，構(gòu)建有效的光-酶催化界面，更好地促進(jìn)電子在兩個(gè)過程間的有效傳遞，是一個(gè)難點(diǎn)。

筆者研究團(tuán)隊(duì)在上述聚合電解質(zhì)摻雜的中空納米纖維固定化含輔酶再生的催化CO2轉(zhuǎn)化甲醇的多酶體系的基礎(chǔ)上，借鑒自然界綠色植物葉綠體的結(jié)構(gòu)，以摻雜有聚合電解質(zhì)的中空納米纖維為載體材料，將用于催化CO2還原合成甲醇的3種脫氫酶和輔酶NAD（H）原位包埋在材料的中空腔室內(nèi)；結(jié)合層層自組裝的技術(shù)原理，即通過分子組裝依次將電子媒介和光敏劑分子通過與材料外壁上聚合電解質(zhì)之間的靜電力，精確地層層自組裝到材料的外表面，由此實(shí)現(xiàn)了整個(gè)光化學(xué)輔酶再生與多酶級(jí)聯(lián)反應(yīng)體系高度集成，構(gòu)建出一種自給式人工光合作用系統(tǒng)（圖3），反應(yīng)過程中，只需通入CO2和可見光光照，就可以利用太陽能實(shí)現(xiàn)輔酶的再生與甲醇的酶催化合成。這種仿生設(shè)計(jì)的人工光合作用系統(tǒng)，由于電子可以在光催化-酶催化過程中更直接的傳遞，縮短了電子傳遞距離，提高了電子傳遞效率，在可見光條件下，人工光合作用系統(tǒng)成功在CO2轉(zhuǎn)化甲醇過程中實(shí)現(xiàn)了輔酶NADH的再生，效率達(dá)到84%，并且甲醇得率達(dá)到90%[30]。仿生構(gòu)建的人工光合作用系統(tǒng)，不僅催化效率高，而且使其對(duì)光敏劑、電子媒介、酶以及輔酶分子的回收和重復(fù)利用成為可能，大大降低了反應(yīng)成本，有望發(fā)展成為帶有人工光合作用特征的新一代多酶級(jí)聯(lián)催化合成生物基化學(xué)品的平臺(tái)技術(shù)。

2 天然油脂制備生物基聚氨酯過程中的酶的油水界面穩(wěn)定問題

油脂是和糖類、蛋白質(zhì)同樣重要的生物質(zhì)資源之一，由于其強(qiáng)疏水性難以通過發(fā)酵法進(jìn)行生物轉(zhuǎn)化，同時(shí)其分子結(jié)構(gòu)中可轉(zhuǎn)化利用的功能基團(tuán)較少，目前對(duì)于油脂資源的加工和利用還相對(duì)單一，主要集中于油脂的水解，以及通過酯化反應(yīng)制備生物柴油。近年來，研究人員通過化學(xué)-酶催化相結(jié)合，首先將油脂分子中的雙鍵在脂肪酶的催化作用下，被H2O2氧化為活潑的環(huán)氧基團(tuán)，通過不同的化學(xué)試劑進(jìn)行開環(huán)制備多元醇，并經(jīng)進(jìn)一步的交聯(lián)聚合，制備出了一系列不同結(jié)構(gòu)和功能的聚氨酯材料，被認(rèn)為是新型生物基材料領(lǐng)域的重要進(jìn)展[31-32]。油脂的酶催化環(huán)氧化反應(yīng)不僅涉及油水兩相界面反應(yīng)，而且反應(yīng)底物H2O2會(huì)引起脂肪酶的迅速變性失活，因此成為天然油脂合成聚氨酯過程中最大的挑戰(zhàn)。疏水性高分子材料[33]、疏水性納米碳管[34]均被嘗試用于對(duì)酶分子進(jìn)行修飾，使其能夠自組裝于油水兩相界面，酶的界面穩(wěn)定性和活性得到提高，但是酶的回收和重復(fù)使用仍然困難。

筆者研究團(tuán)隊(duì)近期發(fā)現(xiàn)，通過調(diào)控納米纖維膜的表面親疏水性，可以使其自發(fā)地分布到油水兩相界面[35]。利用這一特性，他們?cè)O(shè)計(jì)了基于中空納米纖維的高效界面活性的多酶催化體系，研制出了可以在油水界面自發(fā)分布的中空納米纖維膜，并將酶原位地組裝在納米纖維中，實(shí)現(xiàn)油水界面多相催化過程的強(qiáng)化。將葡萄糖氧化酶（GOD）和脂肪酶（CALB）定位組裝到中空納米纖維，通過級(jí)聯(lián)反應(yīng)在油水兩相界面催化油酸環(huán)氧化反應(yīng)（圖4）。一方面，納米纖維膜的界面靶向性降低了傳質(zhì)阻力，提高了酶的穩(wěn)定性；另一方面，GOD原位生成H2O2，避免了脂肪酶同高濃度的H2O2直接接觸造成的迅速失活。與游離雙酶體系相比，催化效率提高了115倍，而且重復(fù)使用10次，活性仍然保持90%以上[36]。

圖3 用于CO2合成甲醇的高效多酶催化人工光合作用系統(tǒng)[30]

以植物油為原料，利用上述高活性、高穩(wěn)定性納米纖維界面雙酶催化反應(yīng)過程制備出的環(huán)氧油脂進(jìn)一步通過水解反應(yīng)，生成生物基多元醇，是合成生物聚氨酯的關(guān)鍵單體。通過對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和合成路線進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，利用化學(xué)-酶催化法制備出了一系列新型生物基多元醇和生物聚氨酯材料[37]。這些材料不僅可以作為現(xiàn)有石油基聚氨酯材料的替代，而且還表現(xiàn)出一些新的特殊性能，如優(yōu)異的生物相容性[38]、獨(dú)特的形狀記憶性能[39]等，進(jìn)一步拓展了生物酶催化技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域，為新型生物材料的開發(fā)和應(yīng)用以及生物油脂類可再生資源的開發(fā)和利用提供新的研究思路。

圖4 基于中空納米纖維的油水兩相界面多酶催化體系[36]

3 納米技術(shù)與生物技術(shù)的結(jié)合——展望

如上所述，以多酶催化為特征的合成生物催化技術(shù)，為復(fù)雜的生物基化學(xué)品合成帶來新的機(jī)遇，尤其是納米科學(xué)與生物技術(shù)的結(jié)合，為解決合成生物催化技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用中面臨的輔酶循環(huán)再生和重復(fù)使用、酶的油水界面活化與穩(wěn)定等挑戰(zhàn)開辟了新的思路。從最初的納米顆粒，到微米催化劑中納米孔道，再到中空納米纖維材料，都反映了納米技術(shù)與生物技術(shù)結(jié)合帶來的變化。德國馬普協(xié)會(huì)Ferdi Schüth教授認(rèn)為多酶系統(tǒng)在中空納米纖維中的定位組裝是可以拓展應(yīng)用于裝載不同多酶系統(tǒng)的一種具有普適性的催化劑制備技術(shù)[40]。除了組裝多種酶，通過在中空納米纖維膜管的納米空腔中、管壁的內(nèi)外表面，空間定位組裝或摻雜其他無機(jī)催化劑、染料、功能物質(zhì)，已經(jīng)可以制備出無機(jī)納米催化劑-酶復(fù)合催化劑、多酶納米纖維試紙等，在分析檢測(cè)[19，41]和環(huán)境保護(hù)[42]等更多的領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了應(yīng)用。

可以期待，隨著各種新型納米材料與生物催化技術(shù)的結(jié)合，必將會(huì)為生物催化技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展帶來更大的突破，并成為第四次浪潮。如生物催化人工光合作用系統(tǒng)涉及能量（光能和電子）、物質(zhì)（生物分子、化學(xué)物質(zhì)）以及材料之間的多個(gè)傳遞界面和過程。近期，一些具有更好的電子傳遞和可見光吸收性能的納米材料正在引起人們的關(guān)注。如過渡金屬硫化物TaS2納米片已經(jīng)被成功用于光催化輔酶再生，并偶聯(lián)多酶體系實(shí)現(xiàn)了CO2到甲醇的高效轉(zhuǎn)化[43]。

盡管合成生物催化技術(shù)，已經(jīng)在可行性、穩(wěn)定性和效率等方面解決了傳統(tǒng)發(fā)酵工業(yè)和單一酶催化技術(shù)所面臨的不足和限制，并已經(jīng)取得突破性進(jìn)展。但是也應(yīng)該認(rèn)識(shí)到，向產(chǎn)業(yè)化的推進(jìn)，還有待從工程科學(xué)的角度，進(jìn)一步論證體系的經(jīng)濟(jì)性，才能實(shí)現(xiàn)其在生物基化學(xué)品的制造和其他領(lǐng)域的應(yīng)用取得更大的突破，支撐和推動(dòng)我國和全球生物經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。

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Progress in key issue research of synthetic biocatalysis

ZHANG Songping1，SU Zhiguo1，JI Xiaoyuan1，2
1. State Key Laboratory of Biochemical Engineering, Institute of Process Engineering, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China 2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China

Synthetic biocatalysis features multi-enzymatic catalytic processes, enabling complicated biochemical synthesis through genius selection of various enzymes and design of bioreaction routes. Synthetic biocatalysis is unique in term of reaction ef fi ciency, atom economy, and environmental friendliness. However, there are two key scienti fi c issues or problems to be answered: ① co-enzyme regeneration, recycling and reutilization in oxidization-reduction biocatalytic processes; ② stabilization of enzymes in no-aqueous phase or at the oil-water interface. In this paper, two examples are given to re fl ect the progress in solving the aforementioned problems, which are bio-conversion of CO2to methanol, and biosynthesis of natural lipids to bio-based polyurethane, both being multi-enzymatic catalysis systems involving co-enzyme or oil-water interface. In summary, combination of emerging nanotechnology and biotechnology may bring about wide area of the development in synthetic biocatalysis, including coenzyme regeneration, multienzyme synergism, as well as interfacial enzyme stabilization.

synthetic biocatalysis; coenzyme regeneration; oil-water interface; CO2bioconversion; bio-based polyurethane

10.3969/j.issn.1674-0319.2017.06.006

張松平，現(xiàn)任中國科學(xué)院過程工程研究所、生化工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究員，博士生導(dǎo)師。主要研究方向?yàn)榧{米酶催化工程，生物技術(shù)藥物和疫苗分離純化與修飾。迄今已在ACS Nano，Small，ACS Catalysis等期刊上發(fā)表SCI論文70篇，他引近1000次。曾獲全國百篇優(yōu)秀博士論文提名獎(jiǎng)（2006年），兼任Biochemical Engineering Journal編委、農(nóng)業(yè)部獸藥評(píng)審專家、中國顆粒學(xué)會(huì)青年理事、生物顆粒專業(yè)委員會(huì)委員。E-mail：spzhang@ipe.ac.cn

國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃（2013CB733604）；國家自然科學(xué)基金（21676276、91534126、21376249）