Small:竞争配位策略定制酶-微孔/介孔MOFs复合物性能

金属有机框架材料(MOFs)是以金属离子为顶点,有机配体为支撑,通过配位作用形成的晶体网络结构。MOFs材料具有高度有序的孔道结构和高比表面积,且结构多样,在气体储存、药物缓释、疾病检测等领域都有优良的应用前景。近年来,MOFs材料被应用于活性生物大分子的包埋,被证实能显著提高酶分子稳定性。然而,目前所采用的MOFs材料多为微孔结构(< 2 nm),阻碍了底物与酶分子的接触,导致固定化酶的表观活性较低(通常低于10%)。此外,MOFs材料在水相环境尤其是酸性条件下稳定性较差,限制了其应用范围。

针对上述问题,华南理工大学娄文勇教授和吴晓玲博士首次利用竞争配位策略,在温和水相溶液环境下构建了一系列具有不同活性的酶-MOFs复合物。首先利用单磷酸腺苷富集锌离子,在此基础上引入ZIF-8原有配体2-甲基咪唑进行竞争性配位,复合物从无定形金属核苷酸凝胶逐步转变为晶态MOFs结构。通过控制反应时间,可调控复合物中有机配体与单磷酸腺苷的比例,继而改变复合物微孔介孔比例及其亲疏水性,实现对固定化酶表观活性的调控,相关研究发表在Small上。

所引入的竞争性配体单磷酸核苷能显著提高MOFs材料在酸性环境中的稳定性。相比原有配体,单磷酸腺苷pKa值更低,其含有的磷酸基团能对酸性环境起缓冲作用;核苷酸中的氧原子与Zn形成的Zn-O键也提升了复合物的酸稳定性。

该方法被证实在多种核苷酸配体和多种单酶/多酶体系中均能实现对酶活的调节。微孔/介孔复合MOFs材料对酶分子起到了良好的保护作用。经过包埋,酶对高温、有机溶剂、变性剂等不利因素的耐受性显著提高。该生物催化体系适用于多种催化反应,在疾病监测、食品加工、生物医药等领域具有很好的应用潜力。

该课题得到了国家自然科学基金(21908070,21878105),广州市科技计划(202002030398),博士后科学基金(BX20180102,2019M652902),中央高校基金(2019MS100,2019PY15)以及东莞市引进第五批创新团队科研项目(2020607263005)的资助与支持。文章的共同第一作者为华南理工大学博士后吴晓玲和博士生熊隽,通信作者为华南理工大学娄文勇教授和吴晓玲博士。

作者简介

娄文勇,教授,博士生导师,华南理工大学食品科学与工程学院副院长,全国百篇优秀博士学位论文获得者、国家优秀青年学科基金获得者(首届优青)、教育部新世纪优秀人才,在Nat. Commun., Coordin. Chem. Rev., Green Chem.,Small, ChemSusChem,Biotechnol. Bioeng., Bioresour. Technol., CEJ, JAFC, ACS Synth. Biol等刊物上发表SCI论文120余篇(封面论文8篇, ESI高被引论文2篇,热点论文1篇),他引3300余次,h因子33。

吴晓玲,华南理工大学博士后,分别于2013年及2018年获得清华大学化学工程系学士及博士学位,入选2018年“博士后创新人才支持计划”。已发表SCI论文20余篇,SCI引用600余次,其中以第一/通讯作者身份在Nature Communications, Small, Chemical Communications, Bioresource Technology等期刊上发表SCI论文13篇。

论文信息:

A Versatile Competitive Coordination Strategy for Tailoring Bioactive Zeolitic Imidazolate Framework Composites

Xiaoling Wu*, Jun Xiong, Shuli Liu, Min‐Hua Zong, Wen‐Yong Lou*

Small

DOI: 10.1002/smll.202007586