【MOF固酶】：利用稳定的基于锆的金属有机框架对大型酶进行仿生矿化

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摘要：
西北大学 J. Fraser Stoddart 组等报道的这篇文章中（J. Am. Chem. Soc. 2024, 146, 8, 5108–5117）介绍了一种在高稳定性的基于锆的金属有机框架中包埋酶的策略。通过在温和条件下使用氨基酸调节剂丝氨酸，在水溶液中在适度温度下合成UiO-66-F4。在UiO-66-F4周围生长酶形成酶@UiO-66-F4生物复合物，成功将溶菌酶、辣根过氧化物酶和阿曼利酵素成功包埋在UiO-66-F4中。作者证明了这种生物复合物在高温、与变性剂接触或有机溶剂中的条件下是稳定的。这项研究为潜在的金属有机框架提供了另一个可能用作酶包埋宿主的工具。

研究背景：
1）化学和生物技术行业中，酶的稳定性限制了其广泛应用。之前的研究主要集中在不稳定的载体上，如生物硅、沸石和介孔二氧化硅，限制了酶的稳定性和活性。
2）研究者们尝试了不同的方法来包埋酶，包括表面吸附、共价键合、交联、扩散和原位包埋等。但是许多方法存在局限性和缺乏通用性，例如无法容纳大型酶、影响酶的构象完整性或导致酶析出。
3）本文的创新之处在于使用了氨基酸调节剂在水溶液中在温和条件下合成了UiO-66-F4，并通过原位包埋的策略成功将不同尺寸的酶包埋在UiO-66-F4中，提供了对酶的保护和稳定。这有可能发展成一种通用的MOF固酶策略。

实验部分：
1）通过绿色合成方法成功合成了具有良好结晶性和高比表面积的UiO-66-F4。
2）通过原位包埋策略成功将溶菌酶、辣根过氧化物酶和阿曼利酵素包埋在UiO-66-F4中。
3）通过分析测试确定了酶在UiO-66-F4中的含量，并通过光谱、热重分析等方法验证了酶的结构完整性和活性。
4）比较了酶@UiO-66-F4和自由酶的催化活性，结果表明酶@UiO-66-F4具有更高的稳定性和活性。

分析测试：
1）使用PXRD确认了UiO-66-F4和酶@UiO-66-F4的晶体性，发现封装酶并不影响MOF的结构完整性。
2）氮气吸附-脱附实验表明，封装酶降低了MOF的比表面积（从550m2/g降低至340, 415, 420 m2g–1），但未完全堵塞孔道，证实了酶在MOF内的成功封装。
3）使用FTIR、ssUV-vis、CD和TGA对封装酶的催化活性进行了分析，证实了酶在UiO-66-F4内的存在和活性。
4）使用ICP-OES定量了酶在UiO-66-F4中的装载量，结果显示溶菌酶、辣根过氧化物酶、阿曼奥脂肪酶的装载量分别为2.1、1.6和1.7 wt %。
5）通过CLSM确认了酶在UiO-66-F4中的分布情况，酶的荧光标记和酶的红外显微镜显示了酶的成功封装。
6）通过比较游离酶和封装酶的催化活性，发现封装的辣根过氧化物酶不受硫酰胺酶或长期存储等条件的影响，保持较高的活性。

总结：
1）成功合成了在水溶液中的UiO-66-F4，并实现了酶的原位包埋。
2）经过分析测试验证了酶@UiO-66-F4的稳定性和活性。
3）作者展示了这种策略可将不同尺寸的酶有效包埋在UiO-66-F4中。

展望：
1）可以进一步探索对不同酶的封装效果。
2）可以验证这种方式对于其他在水中合成的UIO-66构型mof是否通用。
3）建议作者在研究中更加详细地分析酶@UiO-66-F4的稳定性机制，以便更好地理解其应用前景。

Biomimetic Mineralization of Large Enzymes Utilizing a Stable Zirconium-Based Metal-Organic Frameworks
文章作者：Isil Akpinar, Xiaoliang Wang, Kira Fahy, Fanrui Sha, Shuliang Yang, Tae-woo Kwon, Partha Jyoti Das, Timur Islamoglu*, Omar K. Farha*, and J. Fraser Stoddart*
DOI：10.1021/jacs.3c07785
文章链接：https://doi.org/10.1021/jacs.3c07785