Advanced Functional Materials生物催化金属有机骨架:超越生物保护功能的最新应用

在过去五年中,生物分子(如酶)与MOF的结合引起人们越来越多的兴趣。一方面,MOF具有空前的保护生物分子免受化学、热、生物降解并保持其生物活性的能力。如,将蛋白酶、漆酶、过氧化氢酶等负载于MOF中,其表现出优异的生物相容性、长期可回收性、稳定性和抵抗高温或极端pH的能力。另一方面,生物分子可快速诱导MOF形成。与游离生物分子相比,有时甚至表现出更高的生物活性。迄

今为止, MOF作为生物保护基质的研究,已取得令人瞩目的成绩。例如,沸石咪唑骨架-8(ZIF-8),由有机配体2-甲基咪唑和锌离子构成,具有方钠石拓扑结构,其尺寸和形态可调节,已广泛应用于保护生物分子。

将MOF与生物分子结合形成的生物催化MOF复合材料具有前所未有的协同性能,是常规策略难以实现的。MOF构建单元的多样性、分子规模的可调性、模块化的合成策略以及对MOF-生物催化组分非均相界面可通向全新的应用,超出我们当前的想象。生物催化MOF的最新进展表明,该技术在智能和可调式生物催化、精密纳米医学、疫苗和基因递送、生物传感和纳米生物杂交方面具有突破性的应用。

澳大利亚新南威尔士大学化工学院微纳生物系统实验室Dr Jieying Liang 和Dr Kang Liang综述了提高生物催化MOF材料性能的高级合成策略,从提高生物催化活性到MOF框架稳定性再到与其他材料的协同性能。然后,对生物催化MOF体系的最新应用进行了总结。最后,为生物催化MOF的潜在应用提供了重要评估和展望。相关结果发表在Advanced Functional Materials(DOI: 10.1002/adfm.202001648)上。 除了作为生物分子保护基质外,生物分子和MOF的结合已应用于很多新兴的领域(如图所示)。如,MOF的简便表面功能化、刺激响应行为和其仿酶特性使MOF-酶可用于智能生物催化。而且,MOF的高生物分子负载能力、生物降解性、控释特性、刺激响应特性及体内的高生物相容性使它们可用于生物催化剂和药物输送的通用纳米平台。将位点响应材料(如细胞膜片段、核酸、DNA酶等)与单一/多种生物催化剂整合到MOF中,使生物催化MOF具有特定位置传递的靶向特性,引起了人们对基因编辑和免疫疗法的极大兴趣。此外,生物分子,如特定核酸,负载于MOF,可作为具有高特异性和敏感性的靶标生物传感器,其检测范围涵盖葡萄糖、药物、癌细胞、miRNA、重金属离子和有机磷农药等。与天然物相比,在生物体的界面引入人工非生物材料有望实现增强或全新的生物学特性,基于MOF-生物杂交体的应用如细胞纳米工厂和MOF-细胞杂交体,可为活体界面的研究提供新的视野。