歐陽鋼鋒團(tuán)隊(duì)在MOFs固定酶及其應(yīng)用于生物傳感的研究取得重要進(jìn)展
酶是一類具有生物催化功能的生物大分子，其效率、特異性和選擇性遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過人工催化劑。基于酶的生物催化在可持續(xù)合成，藥物設(shè)計(jì)，生物工程，以及傳感等研究中異常活躍,并得到迅速發(fā)展。然而, 酶固有的脆弱性質(zhì),如活性容易溫度、pH、有機(jī)溶劑及小分子抑制劑等影響,使酶體系在實(shí)際操作中具有穩(wěn)定性差和使用壽命短等問題。金屬有機(jī)框架（Metal-Organic Frameworks, MOFs）是一種是由有機(jī)配體和金屬離子或團(tuán)簇通過配位鍵自組裝形成的具有分子內(nèi)孔隙的有機(jī)-無機(jī)雜化材料。MOFs具有比表面積高、孔徑可調(diào)、組分多樣、表面易功能化等諸多優(yōu)點(diǎn)。將酶原位封裝于MOFs空腔（酶@MOFs）就如給脆弱的酶穿上堅(jiān)實(shí)的“MOFs盔甲”，已被證實(shí)可有效提高酶的穩(wěn)定性和使用壽命；同時(shí)，MOFs保護(hù)層的多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)也可選擇性使底物擴(kuò)散進(jìn)入酶的活性位點(diǎn)。這種共生強(qiáng)化效應(yīng)賦予酶@MOFs在傳感、催化和生物工程等領(lǐng)域有巨大的應(yīng)用潛力。但是，目前這些初步的研究主要集中于將酶包埋于具有保護(hù)作用的MOFs空腔，但對(duì)酶封裝前后的活性轉(zhuǎn)化及影響因素仍缺乏系統(tǒng)研究。
近日，中山大學(xué)的歐陽鋼鋒教授團(tuán)隊(duì)揭示封裝模式是如何影響酶@MOFs的生物功能，并提供一種新的策略可制備具有高生物活性的酶@MOFs材料。研究人員以6種工業(yè)用途廣泛的酶為模型（括葡萄糖氧化酶(GOx)、細(xì)胞色素C (Cyt C)、辣根過氧化物酶(HRP)、過氧化氫酶(CAT)、尿酸氧化酶(UOx)和乙醇脫氫酶(ADH)），研究了它們?cè)环庋b于ZIF-8空腔后的活性轉(zhuǎn)化。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)部分酶可保持較高的生物活性，但另一部分酶活性則嚴(yán)重下降甚至完全失活。接著，研究人員通用過系統(tǒng)的表征手段發(fā)現(xiàn)酶的活性轉(zhuǎn)化與其封裝模式密切相關(guān)：1）在基于酶誘導(dǎo)ZIF-8成核驅(qū)動(dòng)的快速封裝模式中，得到的酶@ZIF-8保持較高的生物活性；2）在ZIF-8自然成核的共沉淀緩慢封裝模式中（此過程中酶不參與ZIF-8成核），由于過量配體（2-甲基咪唑）的去折疊效應(yīng)和競爭配位，得到的酶@ZIF-8趨向于失活（圖1A）。有趣的是，這兩種封裝模式與酶的表面電荷性質(zhì)有關(guān)。研究人員通過酶表面氨基酸殘基的化學(xué)修飾調(diào)節(jié)酶的表面電荷，可實(shí)現(xiàn)酶@ZIF-8封裝方式的有效調(diào)控，進(jìn)而改善酶@MOFs的生物活性。接著探討了改善后的酶@MOFs（Cyt C-A@ZIF-8和HRP-A@ZIF-8）在生物傳感領(lǐng)域的應(yīng)用。我們首先可以利用Cyt C-A@ZIF-8和HRP-A@ZIF-8對(duì)H2O2進(jìn)行可視化傳感。谷胱甘肽(GSH)是一種生物硫醇，與糖尿病、肝病、白內(nèi)障、阿爾茨海默病和帕金森病等多種病癥相關(guān)。H2O2可氧化GSH進(jìn)而影響酶@MOFs的H2O2傳感性能(圖1B)。鑒于這一原理，我們建立了一種GSH的可視化酶@MOFs傳感平臺(tái)，并具有較高的檢測靈敏度和較寬的線性范圍（圖1C）。與單酶催化相比，多酶催化級(jí)聯(lián)反應(yīng)是生物體內(nèi)一類重要的化學(xué)轉(zhuǎn)化過程，在生物信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)和代謝途徑中起著關(guān)鍵作用。研究人員將多種酶（GOx和HRP）共封裝于MOFs（簡稱ECMN，圖1D），模擬細(xì)胞內(nèi)級(jí)聯(lián)催化過程；同時(shí)，可以通過調(diào)控酶的封裝模式，提高ECMN的級(jí)聯(lián)催化性能（圖1E），并實(shí)現(xiàn)葡萄糖的高靈敏、可視化檢測（圖1F）。
圖1.（A）基于酶誘導(dǎo)ZIF-8成核驅(qū)動(dòng)的快速封裝模式和ZIF-8自然成核的共沉淀緩慢封裝模式的示意圖；（B）基于HRP-A@ZIF-8的GSH可視化檢測平臺(tái)示意圖；（C）紫外吸收強(qiáng)度（650 nm）與谷胱甘肽濃度的關(guān)系圖；（D）GOx和HRP共封裝的ZIF-8 ECMN的示意圖；（E）ECMN的級(jí)聯(lián)催化性能的提升；（F）葡萄糖的高靈敏、可視化檢測
該研究成果發(fā)表在化學(xué)綜合期刊Angewandte Chemie International Edition，文章的第一作者是中山大學(xué)的博士后陳國勝，通信作者為歐陽鋼鋒教授。全文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/anie.201913231
此外，研究團(tuán)隊(duì)從封裝策略及應(yīng)用兩方面總結(jié)了酶@MOFs的最新研究進(jìn)展；重點(diǎn)介紹了MOFs孔徑結(jié)構(gòu)和酶生物界面與金屬離子的相互作用對(duì)酶封裝效率的影響及影響酶活性轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵因素；并展示了酶@MOFs在生物傳感、催化和納米催化治療等領(lǐng)域的前沿應(yīng)用。相關(guān)成果以題為“Armoring the Enzymes with Metal-Organic Framework”發(fā)表在化學(xué)綜合期刊Angewandte Chemie International Edition，文章的第一作者是中山大學(xué)孫逸仙紀(jì)念醫(yī)院的博士后黃思銘，通訊作者為陳國勝博士后和歐陽鋼鋒教授，全文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.201916474
以上研究工作得到了國家自然科學(xué)基金（21904146，21737006，21677182，21527813和21477166）、博士后創(chuàng)新人才支持計(jì)劃（BX20190390）、博士后基金面上項(xiàng)目（2019M653138）、廣東省自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（2019A1515011722）和高?；緲I(yè)務(wù)費(fèi)（19lgpy125）等項(xiàng)目的資助。
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