华南理工大学娄文勇教授团队Small：竞争配位策略定制不同活性的介孔MOFs-酶复合物

酶催化因反应条件温和、绿色高效等优点，在医药、诊断、合成等领域有重要应用。然而应用环境中常见的高温、有机溶剂等条件容易造成天然酶的三维构象丧失，导致失活。利用多孔材料，比如金属有机骨架材料（MOFs）对酶进行封装和保护，可提高其稳定性。基于水相原位包埋法构建的MOFs-酶复合物已被证实能显著提高包埋在其中的生物大分子稳定性。然而，现有的MOFs-酶复合物存在两个问题：1）MOFs的微孔结构难以满足酶催化过程中的底物传质要求，导致酶的表观活力较低；2）MOFs材料在水相尤其是酸性环境中结构易崩塌，导致复合物无法长时间稳定存在。

华南理工大学食品学院娄文勇教授团队开发了水相温和条件下构建介孔MOFs-酶复合物的新方法。该工作从经典MOFs材料ZIF-8出发，利用含有与其原有配体相似基团的生物分子单磷酸腺苷作为大分子配体，实现大小配体与锌离子共配位，构建介孔MOFs。以预先形成的锌-单磷酸腺苷水凝胶为模板，引入小分子配体2-甲基咪唑进行竞争配位，逐步取代单磷酸腺苷，促使复合物结构由非晶态水凝胶向有序晶体MOFs转变。复合物中两种配体的比例影响其微孔介孔的分布及其亲疏水性。微孔介孔结构有利于底物分子进入材料内部，使固定化酶表现出高表观酶活。单磷酸腺苷配体的引入提高了MOFs材料的亲水性，对酶活的提高也起到了积极作用。

图1. 竞争配位策略构建系列不同孔结构的复合MOFs材料示意图。

图2. 竞争配位反应不同时刻MOFs形貌。无定形锌-单磷酸腺苷水凝胶（a），竞争配位反应5 min（b），15 min（c），30 min（d），ZIF-8（f）。

相比传统ZIF-8，复合材料的酸稳定性显著提高，在酸性环境中孵育2小时仍能保持基本形貌，而ZIF-8结构在5分钟内即崩塌。这可能是由于引入的单磷酸腺苷配体的pKa值更低，结构中的磷酸根可起到类似缓冲对的作用；配体与锌离子配位形成的Zn-O键相较原有Zn-N配位键更稳定，提升了复合材料的稳定性。

图3.酸性环境中处理不同时间后材料的形貌，上图：复合MOFs材料，下图：ZIF-8。

上述策略可用于酶的原位包埋，通过调控竞争配位过程实现对固定化酶表观活力的定制。该方法被证实可用于氧化还原酶、水解酶以及多酶级联体系的包埋及活性调控。包埋后，酶对催化过程中常见的高温、有机溶剂、变性剂等不利因素的耐受性显著提高。该策略在多种核苷酸体系中均适用，可根据需要构建具有不同尺寸和性能的MOFs-酶复合物。

图4. 固定化脂肪酶的表观活性（a），固定化葡萄糖氧化酶稳定性（b）。

本研究通过调控大分子核苷酸配体和小分子有机配体与金属离子进行竞争配位，构建了一系列具有不同孔结构的复合MOFs材料，并用于生物催化剂的原位包埋，实现对酶表观催化活性调控，在医疗检测、药物合成、环境治理、食品加工等行业都具有优良的应用潜力。

相关成果发表在Small上。文章的共同第一作者为华南理工大学吴晓玲博士和博士生熊隽，通信作者为华南理工大学娄文勇教授和吴晓玲副教授。该课题得到了国家自然科学基金，广州市科技计划，中央高校基金，东莞市引进第五批创新团队科研项目的支持。

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，华南理工大学食品学院副教授，分别于2013年和2018年在清华大学化学工程系获得工学学士和工学博士学位；2018-2021年在华南理工大学从事博士后研究，入选第三届“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Nat. Commun., Small, Chem. Commun., Bioresour. Technol.等期刊上发表SCI论文13篇。

论文标题：A Versatile Competitive Coordination Strategy for Tailoring Bioactive Zeolitic Imidazolate Framework Composites

论文作者：Xiaoling Wu, Jun Xiong, Shuli Liu, Min‐Hua Zong, Wen‐Yong Lou

论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202007586

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