Nat. Commun. :多壳层金属有机框架对酶进行分层封装实现级联生物催化反应

金也 3年前 (2022-01-21) 3867浏览

【引言】

级联生物催化反应在生物信号转导和代谢途径中发挥重要功能。在生物系统中，复杂的生物催化级联过程发生在不同的细胞膜分离的细胞器中，以防止无效的串扰和故障，从而以卓越的效率生产生物制品。效仿自然系统中的多酶催化级联，并且实现在密闭结构中进行反应，在新兴的系统化学领域越来越受到关注。MOFs具有可定制的晶体和孔道、大且可及的比表面积和多用途的框架组成等独特优势，因此金属-有机框架(MOFs)支架中酶的空间组织为设计多酶催化级联提供了一种很有前途的方法。目前几种自组装的MOF结构已被用于操作生物催化级联过程。例如，组装在Pickering乳液上的MOF胶囊和互补肽连接的MOF链可以形成不同的空间隔间，来触发多酶催化级联反应。这些系统分别将不同的酶固定在MOF胶囊或颗粒中。然而，由于中间产物在各隔间之间的缓慢运输，催化效率受到了限制。此外，由不同大小的空腔组成的多层结构的MOFs也可应用于一对多酶催化级联；然而，这些系统需要符合严格的设计和苛刻的合成条件。

同时，构建能够使酶在纳米反应器中的室状空间，可以为酶相互作用的调控和高效级联系统的开发提供重要的视角。现有的技术，如傅里叶变换红外光谱(FTIR)是一种无损、无标记的表征技术，但只局限于块状样品检测。共聚焦显微镜是一种用于检测限域在单空间室MOFs内的酶的技术。然而，由于衍射极限的限制，其空间分辨率无法进一步研究纳米级酶。纳米红外光谱(nano-FTIR)是一种独特的光谱技术，能够以~10 nm的空间分辨率揭示局部化学成分。nano-FTIR光谱是基于原子力显微镜(AFM)，其中金属AFM针尖被宽带红外辐射照射。针尖可以作为一个天线，将入射红外场集中在针尖顶端，产生由针尖半径决定的空间分辨率的局域红外光谱。在此基础上，nano-FTIR光谱能够可靠地探测并且绘制纳米级化学成分，并已应用于单膜蛋白、多组分聚合物共混物和共存纳米相的研究，但尚未用于多酶的研究。

【研究进展】

近日，华东师范大学李丽研究团队在Nat. Commun.上发表了一篇题目为“Hierarchically encapsulating enzymes with multi-shelled metal-organic frameworks for tandem biocatalytic reactions”的文章。报了一种通过外延逐壳层过生长(shell-by-shell overgrowth)技术制备的多壳层MOFs用于封装多酶，该技术提高了不相容串联生物催化反应的催化效率。利用nano-FTIR光谱，在纳米级分辨率下，绘制了单个多空间室MOF颗粒中多酶的空间组织形态。研究发现，与溶液中处于自由状态的酶相比，级联在多壳MOFs中相容和不相容酶的集合体的催化效率提高了~ 5.8 - 13.5倍。更为重要的是，多壳MOFs可以作为一个多空间分隔的纳米反应器，允许在一个MOF纳米颗粒中物理地划分多个酶，以便在一锅反应中实现不相容的串联生物催化反应。此外，多壳MOFs还可以实现对多酶的位置调控，这使得催化效率的调节更为便捷。

【图文简介】

图1 多壳ZIF-8 MOFs中GOx-HRP级联  © 2022 The Authors

  1. 以多壳ZIF-8封装的兼容酶(GOx和HRP)驱动串联生物催化反应;
  2. 合成后的GOx@ZIF-8@HRP@ZIF-8的TEM像;
  3. 用CIF文件模拟ZIF-8的XRD谱图(黑色)，合成ZIF-8的XRD(蓝色)，GOx@ZIF-8@HRP@ZIF-8(红色)的XRD;
  4. 合成的ZIF-8@ZIF-8(黑色)和GOx@ZIF8@HRP@ZIF-8(红色)的TGA曲线;
  5. 纳米尺度的FTIR分析示意图;
  6. GOx@ZIF-8@HRP@ZIF-8的AFM图;
  7. GOx@ZIF-8@HRP@ZIF-8的红外光谱；
  8. nano-FTIR线扫描光谱图；
  9. 粒子内壳(内)和外层壳(外层1和外层2)的代表性nano-FTIR点光谱；
  10. 在单个粒子的内壳1652 cm−1和外层1663 cm−1处记录的红外相位图像；
  11. GOx@ZIF-8@HRP@ZIF-8, free GOx & HRP, GOx@ZIF-8 & HRP@ZIF-8, GOx/HRP@ZIF-8系统的催化效率

图2 多壳中空ZIF-8 MOFs中的Pro-ADH/NAD+级联  © 2022 The Authors

  1. 不相容酶和辅因子(Pro和ADH/NAD+)驱动多壳型中空ZIF-8串联生物催化反应；
  2. Pro@ZIF-8@ADH/NAD+@ysZIF-8的TEM图；
  3. Pro@ZIF-8@ADH/NAD+@ysZIF-8的EDX-mapping；

d-g. Pro@ZIF-8@ADH/NAD+@ysZIF-8的nano-FTIR分析；

h.在单个粒子的内壳1666 cm−1和外壳1658 cm−1处红外相位图像；

i. Pro@ZIF-8@ADH/NAD+ @ysZIF-8、自由Pro和ADH/NAD+、Pro/ADH/NAD+@ysZIF-8、Pro@ZIF-8和ADH/NAD+@ ysZIF-8以及Pro@ZIF-8@ADH/NAD+@ZIF-8体系的催化效率；

j. 不同刻蚀时间为0天、1天、3天、7天的Pro@ZIF-8@ADH/NAD+@ZIF-67@ZIF-8的ADH发射光谱

图3 多酶级联的位置控制  © 2022 The Authors

  1. 酶间距离的可控调整

      b-c. GOx@ZIF-8x (x = 1–3) 和 Pro@ZIF-8x (x = 1–3)的TEM；

  1. GOx-FITC@ZIF-8x@HRP-RhB@ZIF-8的共聚焦显微镜图像:(i)亮场，(ii)在488 nm激发和监测荧光标记的GOx在520 nm的荧光;(iii)在543 nm激发，并监测RHB标记的HRP在620 nm的荧光;(iv)合并的图像；
  2. ProRhB@ZIF-8x@ADH-FITC/NAD+-coumarin@ysZIF-8的共聚焦显微镜图像:(i)亮场，(ii)在543 nm激发，监测rhb标记Pro在620 nm的荧光;(iii)在488 nm处激发，并在520 nm处监测荧光标记ADH的荧光;(iv) 405 nm激发，并监测香豆素标记的NAD+在480 nm处的荧光;(v)合并的图像；
  3. 酶间距离对GOx-HRP和g Pro-ADH/NAD+级联活性的影响；
  4. 酶位置对 GOx-HRP和i Pro-ADH/NAD+级联活性的影响；

j-k. GOx@ZIF-8@HRP@ZIF-8和Pro@ZIF-8@ADH/NAD+@ysZIF-8的催化再循环能力

 

【小结】

总之，研究者证明了多壳MOFs可以作为分级支架，在纳米尺度上空间组织酶，以提高催化效率。与其他策略相比，使用多壳MOF支架设计多酶催化级联具有以下显著特点:

(1)多孔MOF支架为空间受限的酶活性位点之间的传质提供了指定的扩散路径，促进了串联生物催化反应的高效运行;

(ii)在逐壳层过生长(shell-by-shell overgrowth)过程中，不相容的酶可以独立加载在多壳MOFs的不同区域中;

(iii)通过调整外延过生长的周期，可以使多酶在空间上限制在不同的酶间距离；通过调整封装序列，可以使多酶在空间上限制在不同位点；因此，串联生物催化效率可以很容易地调节。总的来说，这些特性有望使多壳层MOFs成为在生物技术和治疗中多酶催化级联反应的潜在纳米载体。

 

文献链接：Hierarchically encapsulating enzymes with multi-shelled metal-organic frameworks for

tandem biocatalytic reactions. 2022, Nat. Commun. Doi: 10.1038/s41467-022-27983-9.

 

 

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