欧阳钢锋课题组《德国应用化学》：MOFs固定酶及其应用于生物传感的研究取得重要进展

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酶是一类具有生物催化功能的生物大分子，其效率、特异性和选择性远远超过人工催化剂。基于酶的生物催化在可持续合成、药物设计、生物工程以及传感等研究中异常活跃，并得到迅速发展。然而，酶固有的脆弱性质，如活性容易受温度、pH、有机溶剂及小分子抑制剂等影响，使酶体系在实际操作中具有稳定性差和使用寿命短等问题。金属有机框架（Metal-Organic Frameworks, MOFs）是一种是由有机配体和金属离子或团簇通过配位键自组装形成的具有分子内孔隙的有机-无机杂化材料。MOFs具有比表面积高、孔径可调、组分多样、表面易功能化等诸多优点。将酶原位封装于MOFs空腔（酶@MOFs）就如给脆弱的酶穿上坚实的“MOFs盔甲”，已被证实可有效提高酶的稳定性和使用寿命；同时，MOFs保护层的多孔网络结构也可选择性使底物扩散进入酶的活性位点。这种共生强化效应赋予酶@MOFs在传感、催化和生物工程等领域巨大的应用潜力。但是，目前这些初步的研究主要集中于将酶包埋于具有保护作用的MOFs空腔，但对酶封装前后的活性转化及影响因素仍缺乏系统研究。
        近日，我校化学学院欧阳钢锋教授团队揭示封装模式是如何影响酶@MOFs的生物功能，并提供一种新的策略可制备具有高生物活性的酶@MOFs材料。研究人员以6种工业用途广泛的酶为模型（括葡萄糖氧化酶(GOx)、细胞色素C (Cyt C)、辣根过氧化物酶(HRP)、过氧化氢酶(CAT)、尿酸氧化酶(UOx)和乙醇脱氢酶(ADH)），研究了它们原位封装于ZIF-8空腔后的活性转化。研究结果发现部分酶可保持较高的生物活性，但另一部分酶活性则严重下降甚至完全失活。接着，研究人员通用过系统的表征手段发现酶的活性转化与其封装模式密切相关：1）在基于酶诱导ZIF-8成核驱动的快速封装模式中，得到的酶@ZIF-8保持较高的生物活性；2）在ZIF-8自然成核的共沉淀缓慢封装模式中（此过程中酶不参与ZIF-8成核），由于过量配体（2-甲基咪唑）的去折叠效应和竞争配位，得到的酶@ZIF-8趋向于失活（图1A）。有趣的是，这两种封装模式与酶的表面电荷性质有关。研究人员通过酶表面氨基酸残基的化学修饰调节酶的表面电荷，可实现酶@ZIF-8封装方式的有效调控，进而改善酶@MOFs的生物活性。接着，研究人员探讨了改善后的酶@MOFs（Cyt C-A@ZIF-8和HRP-A@ZIF-8）在生物传感领域的应用。我们首先可以利用Cyt C-A@ZIF-8和HRP-A@ZIF-8对H2O2进行可视化传感。谷胱甘肽(GSH)是一种生物硫醇，与糖尿病、肝病、白内障、阿尔茨海默病和帕金森病等多种病症相关。H2O2可氧化GSH进而影响酶@MOFs的H2O2传感性能(图1B)。鉴于这一原理，我们建立了一种GSH的可视化酶@MOFs传感平台，并具有较高的检测灵敏度和较宽的线性范围（图1C）。与单酶催化相比，多酶催化级联反应是生物体内一类重要的化学转化过程，在生物信号转导和代谢途径中起着关键作用。研究人员将多种酶（GOx和HRP）共封装于MOFs（简称ECMN，图1D），模拟细胞内级联催化过程；同时，可以通过调控酶的封装模式，提高ECMN的级联催化性能（图1E），并实现葡萄糖的高灵敏、可视化检测（图1F）。

快速封装模式

图1.（A）基于酶诱导ZIF-8成核驱动的快速封装模式和ZIF-8自然成核的共沉淀缓慢封装模式的示意图；（B）基于HRP-A@ZIF-8的GSH可视化检测平台示意图；（C）紫外吸收强度（650 nm）与谷胱甘肽浓度的关系图；（D）GOx和HRP共封装的ZIF-8 ECMN的示意图；（E）ECMN的级联催化性能的提升；（F）葡萄糖的高灵敏、可视化检测
        该研究成果发表在化学综合期刊Angewandte Chemie International Edition，文章的第一作者是中山大学博士后陈国胜，通信作者为欧阳钢锋教授。
        此外，研究团队从封装策略及应用两方面总结了酶@MOFs的最新研究进展：重点介绍了MOFs孔径结构和酶生物界面与金属离子的相互作用对酶封装效率的影响及影响酶活性转化的关键因素；并展示了酶@MOFs在生物传感、催化和纳米催化治疗等领域的前沿应用。相关成果以题为“Armoring the Enzymes with Metal-Organic Framework”发表在化学综合期刊Angewandte Chemie International Edition，文章的第一作者是中山大学孙逸仙纪念医院博士后黄思铭，通讯作者为陈国胜博士后和欧阳钢锋教授。
        以上研究工作得到了国家自然科学基金（21904146，21737006，21677182，21527813和21477166）、博士后创新人才支持计划（BX20190390）、博士后基金面上项目（2019M653138）、广东省自然科学基金面上项目（2019A1515011722）和高校基本业务费（19lgpy125）等项目的资助。
        论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/anie.201913231


        文章来源：中山大学
        欧阳钢锋，男，1970年11月生，湖南长沙人，博士，中山大学化学学院教授、博士生导师，英国皇家化学会会士，国家杰出青年科学基金获得者，科技部中青年科技创新领军人才，广东省“珠江学者”特聘教授。现任中山大学化学与化学工程学院环境化学研究所所长，微萃取与分离技术研究中心主任，环境与能源化学广东省高校重点实验室副主任。