Nat. Commun. :多殼層金屬有機框架對酶進行分層封裝實現級聯生物催化反應

金也 2年前 (2022-01-21) 2228瀏覽

【引言】

級聯生物催化反應在生物信號轉導和代謝途徑中發揮重要功能。在生物系統中，復雜的生物催化級聯過程發生在不同的細胞膜分離的細胞器中，以防止無效的串擾和故障，從而以卓越的效率生產生物制品。效仿自然系統中的多酶催化級聯，并且實現在密閉結構中進行反應，在新興的系統化學領域越來越受到關注。MOFs具有可定制的晶體和孔道、大且可及的比表面積和多用途的框架組成等獨特優勢，因此金屬-有機框架(MOFs)支架中酶的空間組織為設計多酶催化級聯提供了一種很有前途的方法。目前幾種自組裝的MOF結構已被用于操作生物催化級聯過程。例如，組裝在Pickering乳液上的MOF膠囊和互補肽連接的MOF鏈可以形成不同的空間隔間，來觸發多酶催化級聯反應。這些系統分別將不同的酶固定在MOF膠囊或顆粒中。然而，由于中間產物在各隔間之間的緩慢運輸，催化效率受到了限制。此外，由不同大小的空腔組成的多層結構的MOFs也可應用于一對多酶催化級聯；然而，這些系統需要符合嚴格的設計和苛刻的合成條件。

同時，構建能夠使酶在納米反應器中的室狀空間，可以為酶相互作用的調控和高效級聯系統的開發提供重要的視角。現有的技術，如傅里葉變換紅外光譜(FTIR)是一種無損、無標記的表征技術，但只局限于塊狀樣品檢測。共聚焦顯微鏡是一種用于檢測限域在單空間室MOFs內的酶的技術。然而，由于衍射極限的限制，其空間分辨率無法進一步研究納米級酶。納米紅外光譜(nano-FTIR)是一種獨特的光譜技術，能夠以~10 nm的空間分辨率揭示局部化學成分。nano-FTIR光譜是基于原子力顯微鏡(AFM)，其中金屬AFM針尖被寬帶紅外輻射照射。針尖可以作為一個天線，將入射紅外場集中在針尖頂端，產生由針尖半徑決定的空間分辨率的局域紅外光譜。在此基礎上，nano-FTIR光譜能夠可靠地探測并且繪制納米級化學成分，并已應用于單膜蛋白、多組分聚合物共混物和共存納米相的研究，但尚未用于多酶的研究。

【研究進展】

近日，華東師范大學李麗研究團隊在Nat. Commun.上發表了一篇題目為“Hierarchically encapsulating enzymes with multi-shelled metal-organic frameworks for tandem biocatalytic reactions”的文章。報了一種通過外延逐殼層過生長(shell-by-shell overgrowth)技術制備的多殼層MOFs用于封裝多酶，該技術提高了不相容串聯生物催化反應的催化效率。利用nano-FTIR光譜，在納米級分辨率下，繪制了單個多空間室MOF顆粒中多酶的空間組織形態。研究發現，與溶液中處于自由狀態的酶相比，級聯在多殼MOFs中相容和不相容酶的集合體的催化效率提高了~ 5.8 - 13.5倍。更為重要的是，多殼MOFs可以作為一個多空間分隔的納米反應器，允許在一個MOF納米顆粒中物理地劃分多個酶，以便在一鍋反應中實現不相容的串聯生物催化反應。此外，多殼MOFs還可以實現對多酶的位置調控，這使得催化效率的調節更為便捷。

【圖文簡介】

圖1 多殼ZIF-8 MOFs中GOx-HRP級聯 ?? 2022 The Authors

  1. 以多殼ZIF-8封裝的兼容酶(GOx和HRP)驅動串聯生物催化反應;
  2. 合成后的GOx@ZIF-8@HRP@ZIF-8的TEM像;
  3. 用CIF文件模擬ZIF-8的XRD譜圖(黑色)，合成ZIF-8的XRD(藍色)，GOx@ZIF-8@HRP@ZIF-8(紅色)的XRD;
  4. 合成的ZIF-8@ZIF-8(黑色)和GOx@ZIF8@HRP@ZIF-8(紅色)的TGA曲線;
  5. 納米尺度的FTIR分析示意圖;
  6. GOx@ZIF-8@HRP@ZIF-8的AFM圖;
  7. GOx@ZIF-8@HRP@ZIF-8的紅外光譜；
  8. nano-FTIR線掃描光譜圖；
  9. 粒子內殼(內)和外層殼(外層1和外層2)的代表性nano-FTIR點光譜；
  10. 在單個粒子的內殼1652 cm?1和外層1663 cm?1處記錄的紅外相位圖像；
  11. GOx@ZIF-8@HRP@ZIF-8, free GOx & HRP, GOx@ZIF-8 & HRP@ZIF-8, GOx/HRP@ZIF-8系統的催化效率

圖2?多殼中空ZIF-8 MOFs中的Pro-ADH/NAD+級聯 ?? 2022 The Authors

  1. 不相容酶和輔因子(Pro和ADH/NAD+)驅動多殼型中空ZIF-8串聯生物催化反應；
  2. Pro@ZIF-8@ADH/NAD+@ysZIF-8的TEM圖；
  3. Pro@ZIF-8@ADH/NAD+@ysZIF-8的EDX-mapping；

d-g. Pro@ZIF-8@ADH/NAD+@ysZIF-8的nano-FTIR分析；

h.在單個粒子的內殼1666 cm?1和外殼1658 cm?1處紅外相位圖像；

i. Pro@ZIF-8@ADH/NAD+ @ysZIF-8、自由Pro和ADH/NAD+、Pro/ADH/NAD+@ysZIF-8、Pro@ZIF-8和ADH/NAD+@ ysZIF-8以及Pro@ZIF-8@ADH/NAD+@ZIF-8體系的催化效率；

j. 不同刻蝕時間為0天、1天、3天、7天的Pro@ZIF-8@ADH/NAD+@ZIF-67@ZIF-8的ADH發射光譜

圖3 多酶級聯的位置控制 ?? 2022 The Authors

  1. 酶間距離的可控調整

? ? ? b-c. GOx@ZIF-8x (x = 1–3) 和 Pro@ZIF-8x (x = 1–3)的TEM；

  1. GOx-FITC@ZIF-8x@HRP-RhB@ZIF-8的共聚焦顯微鏡圖像:(i)亮場，(ii)在488 nm激發和監測熒光標記的GOx在520 nm的熒光;(iii)在543 nm激發，并監測RHB標記的HRP在620 nm的熒光;(iv)合并的圖像；
  2. ProRhB@ZIF-8x@ADH-FITC/NAD+-coumarin@ysZIF-8的共聚焦顯微鏡圖像:(i)亮場，(ii)在543 nm激發，監測rhb標記Pro在620 nm的熒光;(iii)在488 nm處激發，并在520 nm處監測熒光標記ADH的熒光;(iv) 405 nm激發，并監測香豆素標記的NAD+在480 nm處的熒光;(v)合并的圖像；
  3. 酶間距離對GOx-HRP和g Pro-ADH/NAD+級聯活性的影響；
  4. 酶位置對 GOx-HRP和i Pro-ADH/NAD+級聯活性的影響；

j-k. GOx@ZIF-8@HRP@ZIF-8和Pro@ZIF-8@ADH/NAD+@ysZIF-8的催化再循環能力

 

【小結】

總之，研究者證明了多殼MOFs可以作為分級支架，在納米尺度上空間組織酶，以提高催化效率。與其他策略相比，使用多殼MOF支架設計多酶催化級聯具有以下顯著特點:

(1)多孔MOF支架為空間受限的酶活性位點之間的傳質提供了指定的擴散路徑，促進了串聯生物催化反應的高效運行;

(ii)在逐殼層過生長(shell-by-shell overgrowth)過程中，不相容的酶可以獨立加載在多殼MOFs的不同區域中;

(iii)通過調整外延過生長的周期，可以使多酶在空間上限制在不同的酶間距離；通過調整封裝序列，可以使多酶在空間上限制在不同位點；因此，串聯生物催化效率可以很容易地調節。總的來說，這些特性有望使多殼層MOFs成為在生物技術和治療中多酶催化級聯反應的潛在納米載體。

 

文獻鏈接：Hierarchically encapsulating enzymes with multi-shelled metal-organic frameworks for

tandem biocatalytic reactions. 2022, Nat. Commun. Doi: 10.1038/s41467-022-27983-9.

 

 

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