【Te-MOF材料】用于敏感生物传感的生物启发性双血红素键合G-四联体和组氨酸功能化金属有机框架

首页 > 行业动态 > 【Te-MOF材料】用于敏感生物传感的生物启发性双血红素键合G-四联体和组氨酸功能化金属有机框架

摘要：
南京大学周俊老师报道的本篇文章（Anal. Chem. 2024）中提出了一种高效的仿过氧化酶催化剂HhG-MOF的构建策略，通过在多孔金属-有机框架（MOF）上锚定组氨酸（H）和双血红素-G-四链体DNA酶（hG），以模拟天然过氧化酶的微环境。研究发现，以铽MOF为模型，所制备催化剂的初始速率比Hh-MOF和hG-MOF分别高出21.1倍和4.3倍。HhG-MOF的卓越催化性能归因于其对底物的强亲和力。基于胆碱酯酶（AChE）和乙酰硫胆碱（ATCh）反应产生的硫胆碱（TCh）对催化活性的抑制效应，设计了一种基于HhG-MOF的简便、经济、敏感的比色方法，用于测量AChE活性及其抑制剂。该方法在0.002至1 U L−1范围内呈现线性响应，检测限为0.001 U L−1。此外，制备的传感器在实际血液样本中表现出良好的选择性和性能，显示出在临床领域的应用前景。

研究背景：
1. 现有的仿生酶在催化活性上通常低于天然酶，这限制了它们在生物传感、催化和治疗等领域的应用。
2. 为了提高G4 DNA酶的催化性能，研究者尝试通过引入额外的活性增强试剂或设计和修改G4 DNA序列以及将血红素辅因子共价连接到G4的5'和/或3'端。
3. 作者通过在多孔MOF上锚定组氨酸和双血红素-G-四链体DNA酶，模拟了天然过氧化酶的微环境，从而显著提高了催化剂的催化活性，并通过实验验证了其在AChE活性检测中的应用潜力。

实验部分：
1. HhG-MOF催化剂的合成
   - 将1 mL的MOF溶液（2 mg/mL）和1 mL的组氨酸溶液（100 μM）在室温下混合反应24小时。
   - 通过离心分离出H-MOF复合物，并用溶剂洗涤三次以去除未反应的组氨酸。
   - 将H-MOF复合物（2 mg/mL）与双血红素-G4溶液（10 μM）在室温下进一步反应24小时，合成HhG-MOF催化剂。
   - 通过类似方法制备Hh-MOF催化剂，只是将双血红素-G4替换为血红素溶液（10 μM）。
2. 过氧化酶类活性评估
   - 向10 mM Tris-HCl缓冲液（pH 8.0）中加入100 mM KCl、0.1 mM H2O2和0.2 mM ABTS，制成总体积为500 μL的反应体系。
   - 向反应体系中加入50 μL的HhG-MOF复合物溶液（0.5 mg/mL）。
   - 使用Cary 3500 UV-vis分光光度计记录420 nm处的吸光度变化。
3. AChE活性检测
   - 将50 μL的AChE溶液（最终活性范围0-3 mU/mL）、50 μL的ATCh溶液（5 mM）和100 μL的Tris-HCl缓冲液（10 mM，pH 7.4）在37°C下混合反应0.5小时。
   - 向反应体系中加入HhG-MOF催化剂、ABTS、H2O2和Tris-HCl缓冲液，测量420 nm处的吸光度。
4. 血清样本中AChE活性分析
   - 从健康个体采集抗凝血全血样本，通过离心分离红细胞并用1× PBS缓冲液洗涤三次。
   - 将红细胞稀释至原始体积，并在-20°C下保存以备进一步使用。
   - 在测定AChE活性之前，将实际样本稀释10,000倍，以确保其浓度在工作曲线的线性范围内。

分析测试：
1. X射线衍射（XRD）
   - 测试结果显示铽MOF具有与文献报道一致的良好结晶性。
2. 动态光散射分析
   - HhG-MOF的亲水直径为3.6 μm，表明其在水溶液中具有良好的分散性。
3. 傅里叶变换红外光谱（FT-IR）
   - 确认了组氨酸在H-MOF中的侧链CH2基团（1600, 1512, 1274, 和 1628 cm−1）和N−H弯曲振动。
4. X射线光电子能谱（XPS）
   - 检测到Tb-O键的含量增加（499 cm−1），表明组氨酸通过配位键与MOF相互作用。
5. 圆二色谱（CD）和聚丙烯酰胺凝胶电泳（PAGE）
   - CD光谱显示hG-MOF与G4序列和hG的CD光谱相似。
   - PAGE结果显示hG-MOF在不同浓度下没有明显的条带。
6. 氮气吸附-脱附等温线
   - 铽MOF的BET表面积为1394 m²/g，H-MOF为1216 m²/g，HhG-MOF为984 m²/g。
   - 铽MOF和HhG-MOF的计算总孔容分别为0.987和0.644 cm³/g。
7. 稳态动力学分析
   - HhG-MOF对H2O2的Km值为13.40 mM，Vmax为69.74 nM s−1。
   - 对ABTS的Km值为0.39 mM，Vmax为30.39 nM s−1。
8. 热稳定性测试
   - 在70°C和90°C下孵育后，HhG-MOF的相对生物催化活性分别为83.6%和56.1%，而裸露的HRP分别为22.4%和10.8%。
9. 有机溶剂中的稳定性测试
   - 在DMF和DMSO中，HhG-MOF分别保持了81.4%和84.8%的原始活性，而HRP在有机溶剂中的活性较低。
10. AChE活性检测的分析性能
    - 在0.002至1.0 U L−1范围内，检测AChE活性的线性关系良好（r² = 0.9959）。
    - 检测限为0.001 U L−1。
11. 选择性测试
    - 对于常见的小分子（如葡萄糖、抗坏血酸、尿酸、多巴胺）和大分子（如碱性磷酸酶、尿酸氧化酶、葡萄糖氧化酶、胆固醇氧化酶、黄嘌呤氧化酶和人血清白蛋白），该方法表现出良好的选择性。

总结：
本文成功设计并合成了一种新型的仿过氧化酶催化剂HhG-MOF，通过在多孔MOF上锚定组氨酸和双血红素-G-四链体DNA酶，显著提高了催化活性。该催化剂在AChE活性检测中展现出了高灵敏度和良好的选择性，为临床诊断提供了一种新的分析方法。

展望：
本文的研究为仿生催化剂的设计和应用提供了新的策略。未来的工作可以进一步探索HhG-MOF在更多生物传感和催化反应中的应用，并优化合成方法以提高产率和降低成本。此外，研究HhG-MOF在复杂生物样本中的性能，提高其抗干扰能力，将进一步推动其在临床诊断中的实用化。

Bioinspired Dual Hemin-Bonded G‑Quadruplex and Histidine-Functionalized Metal−Organic Framework for Sensitive Biosensing
文章作者：Xuanxiang Mao, Qianqian Chen, Shijiong Wei, Dehui Qiu, Xiaobo Zhang, Jianping Lei, Jean-Louis Mergny, Huangxian Ju, and Jun Zhou*
DOI：10.1021/acs.analchem.4c00010
文章链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.analchem.4c00010

本文为科研用户原创分享上传用于学术宣传交流，具体内容请查阅上述论文，如有错误、侵权等请联系修改、删除。未经允许第三方不得复制转载。