華南理工大學婁文勇教授團隊Small：競爭配位策略定制不同活性的介孔MOFs-酶復合物

酶催化因反應條件溫和、綠色高效等優點，在醫藥、診斷、合成等領域有重要應用。然而應用環境中常見的高溫、有機溶劑等條件容易造成天然酶的三維構象喪失，導致失活。利用多孔材料，比如金屬有機骨架材料（MOFs）對酶進行封裝和保護，可提高其穩定性。基于水相原位包埋法構建的MOFs-酶復合物已被證實能顯著提高包埋在其中的生物大分子穩定性。然而，現有的MOFs-酶復合物存在兩個問題：1）MOFs的微孔結構難以滿足酶催化過程中的底物傳質要求，導致酶的表觀活力較低；2）MOFs材料在水相尤其是酸性環境中結構易崩塌，導致復合物無法長時間穩定存在。

華南理工大學食品學院婁文勇教授團隊開發了水相溫和條件下構建介孔MOFs-酶復合物的新方法。該工作從經典MOFs材料ZIF-8出發，利用含有與其原有配體相似基團的生物分子單磷酸腺苷作為大分子配體，實現大小配體與鋅離子共配位，構建介孔MOFs。以預先形成的鋅-單磷酸腺苷水凝膠為模板，引入小分子配體2-甲基咪唑進行競爭配位，逐步取代單磷酸腺苷，促使復合物結構由非晶態水凝膠向有序晶體MOFs轉變。復合物中兩種配體的比例影響其微孔介孔的分布及其親疏水性。微孔介孔結構有利于底物分子進入材料內部，使固定化酶表現出高表觀酶活。單磷酸腺苷配體的引入提高了MOFs材料的親水性，對酶活的提高也起到了積極作用。

圖1. 競爭配位策略構建系列不同孔結構的復合MOFs材料示意圖。

圖2. 競爭配位反應不同時刻MOFs形貌。無定形鋅-單磷酸腺苷水凝膠（a），競爭配位反應5?min（b），15?min（c），30 min（d），ZIF-8（f）。

相比傳統ZIF-8，復合材料的酸穩定性顯著提高，在酸性環境中孵育2小時仍能保持基本形貌，而ZIF-8結構在5分鐘內即崩塌。這可能是由于引入的單磷酸腺苷配體的pKa值更低，結構中的磷酸根可起到類似緩沖對的作用；配體與鋅離子配位形成的Zn-O鍵相較原有Zn-N配位鍵更穩定，提升了復合材料的穩定性。

圖3.酸性環境中處理不同時間后材料的形貌，上圖：復合MOFs材料，下圖：ZIF-8。

上述策略可用于酶的原位包埋，通過調控競爭配位過程實現對固定化酶表觀活力的定制。該方法被證實可用于氧化還原酶、水解酶以及多酶級聯體系的包埋及活性調控。包埋后，酶對催化過程中常見的高溫、有機溶劑、變性劑等不利因素的耐受性顯著提高。該策略在多種核苷酸體系中均適用，可根據需要構建具有不同尺寸和性能的MOFs-酶復合物。

圖4. 固定化脂肪酶的表觀活性（a），固定化葡萄糖氧化酶穩定性（b）。

本研究通過調控大分子核苷酸配體和小分子有機配體與金屬離子進行競爭配位，構建了一系列具有不同孔結構的復合MOFs材料，并用于生物催化劑的原位包埋，實現對酶表觀催化活性調控，在醫療檢測、藥物合成、環境治理、食品加工等行業都具有優良的應用潛力。

相關成果發表在Small上。文章的共同第一作者為華南理工大學吳曉玲博士和博士生熊雋，通信作者為華南理工大學婁文勇教授和吳曉玲副教授。該課題得到了國家自然科學基金，廣州市科技計劃，中央高校基金，東莞市引進第五批創新團隊科研項目的支持。

作者簡介

婁文勇，教授，博士生導師，華南理工大學食品科學與工程學院副院長，全國百篇優秀博士學位論文獲得者、國家優秀青年學科基金獲得者（首屆優青）、教育部新世紀優秀人才，在Nat. Commun., Coordin. Chem. Rev., Green Chem.，Small, ChemSusChem，Biotechnol. Bioeng., Bioresour. Technol., CEJ, JAFC, ACS Synth. Biol.等刊物上發表SCI論文120余篇（封面論文8篇，ESI高被引論文2篇，熱點論文1篇），他引3300余次，H因子33。

吳曉玲，華南理工大學食品學院副教授，分別于2013年和2018年在清華大學化學工程系獲得工學學士和工學博士學位；2018-2021年在華南理工大學從事博士后研究，入選第三屆“博士后創新人才支持計劃”。已發表SCI論文20余篇，SCI引用600余次，其中以第一/通訊作者身份在Nat. Commun., Small, Chem. Commun., Bioresour. Technol.等期刊上發表SCI論文13篇。

論文標題：A Versatile Competitive Coordination Strategy for Tailoring Bioactive Zeolitic Imidazolate Framework Composites

論文作者：Xiaoling Wu,?Jun Xiong, Shuli Liu, Min‐Hua Zong, Wen‐Yong Lou

論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202007586

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