【人物与科研】复旦大学张琪教授课题组：片层结构MOF-酶复合材料焕新升级！助推酶的稳定性和循环性显著提升

导语

金属-有机框架材料（MOF）由于其各种优异的性能，在酶附载方面的应用受到了广泛关注。然而由于MOF本身孔径尺寸的限制，对于底物较大的酶并不适用。近日，复旦大学化学系张琪教授课题组报道了一种新型片层结构MOF-酶复合材料合成方法，可以有效地克服MOF材料对于底物尺寸的限制，大大扩展了MOF-酶复合材料的应用范围（CCS Chem 2021, DOI: 10.31635/ccschem.021.202000759）。

张琪教授课题组简介

复旦大学张琪教授课题组主要集中于天然产物生物合成和酶催化机制、新型反应开发等方面的研究。课题组在生物合成途经异源表达、化学酶学合成、机制酶学、复杂多肽的鉴定和表征等方面具有较强的基础和优势。近年来课题组在Nature Communications、PNAS、JACS、Angew. Chem. Int. Ed.等多个杂志上发表论文近50余篇，其成果被美国化学化工新闻周刊C&E News等多类媒体予以专文报道，并被Science、Faculty of 1000、Nat. Prod. Rep.、Curr. Opin. Biotech.等多个杂志予以亮点评述。

教授简介

张琪，复旦大学化学系教授、博士生导师。主要研究兴趣涉及新型抗生素的发现、生物合成及作用机制研究。2003年于复旦大学化学系获得理学学士学位，2010年于中科院上海有机化学所获得博士学位，此后在伊利诺伊大学香槟分校开展博士后研究，2014年回到复旦大学化学系开展独立工作。曾获得化学结构学会奖、国际化学生物学会青年化学生物学家奖等多个国际性奖项，目前担任《Frontiers in Chemistry》、《Frontiers in Molecular Bioscience》杂志副主编和《Journal of Chinese Chemistry》青年编委。

前沿科研成果

片层结构MOF-酶复合材料焕新升级！助推酶的稳定性和循环性显著提升

酶的固定化是一种非常有效的酶催化策略。通过将酶与固体载体结合，使酶易于分离、高效回收和再利用，同时在远离细胞环境的工作条件下提高酶的寿命和效率。金属有机框架材料(MOFs)因其比表面积大、孔径调节方便、化学稳定性好、热稳定性好、生物相容性好等优点，作为一种有前景的酶固定化载体受到研究者们的广泛关注。在过去的十年中，研究者们合成了大量MOF-酶复合材料，并开发出了不同的合成方法。其中以沸石咪唑酯框架材料（ZIF-8，或称为Zn(mIM)₂）为载体的共沉淀法受到了最为广泛的研究。由于ZIF-8可以在室温、水溶液条件下合成，因此可以简单地将酶与Zn(mIM)₂前驱体Zn²⁺和2-甲基咪唑混合来合成复合材料。这种简单的共沉淀法使酶被包裹在Zn(mIM)₂的骨架中，刚性的分子结构在酶的周围形成一层保护层，从而保护酶不受外部环境的影响。

为了拓展共沉淀法在酶负载方面的应用，复旦大学张琪课题组选择了S-腺苷甲硫氨酸合成酶（SamS）作为模型酶（图1A）。作者在研究时发现，通过现有的共沉淀法合成的SamS-Zn(mIM)₂复合材料并不具有催化活性。扫描电子显微镜（SEM）和多晶X射线衍射（PXRD）分析结果显示，通过现有的共沉淀法制备得到的Zn(mIM)₂为方钠石拓扑结构，即sod-Zn(mIM)₂（图1B、C）。据估计，sod-Zn(mIM)₂的孔径约为3.4 Å，小于SamS的底物ATP，导致ATP无法进入被包裹的酶的活性位点进行反应。作者认为，需要建立一个更普遍的共沉淀策略，来实现复合材料的大底物催化。

为此，作者筛选了一系列合成SamS-ZIF复合材料的前体浓度。结果表明，高摩尔浓度的2-甲基咪唑和Zn²⁺形成的复合材料没有表现出任何催化活性。随着前驱体浓度的降低，活性逐渐增强。5 mM和20 mM浓度的Zn²⁺和2-甲基咪唑合成的复合材料活性最高，与水溶液中酶的活性差不多（图2A）。该复合材料在SEM下可以呈现出聚集的片层结构，形似纳米花（图1D）。PXRD结果显示，不同于任何已知ZIF拓扑结构的谱图，该复合材料的谱图与最新发现的U12、U14拓扑结构相符（图1E）。作者还对该复合材料进行了进一步的表征：FT-IR和TGA结果显示出该复合材料的高酶负载效率（图1F、G）；N₂吸附等温线分析结果证明了ZIF外壳的无孔结构，说明在催化过程中，底物通过片层结构的间隙进入被包裹的酶的活性位点，从而解决了大底物催化的挑战。

图1 SamS@sod-Zn(mIM)₂和SamS@nf-Zn(mIM)₂的表征（来源：CCS Chem）

该复合材料也表现出了优秀的稳定性和循环性能。经过有机溶液、高温、蛋白酶等条件处理后，复合材料依然保留了较高的催化活性（图2B）。循环实验中，经过5次催化循环后，复合材料的催化活性没有明显的下降（图2C）。存储实验中，复合材料在6周后催化活性没有明显下降（图2D）。

图2 SamS@nf-Zn(mIM)₂的催化活性、稳定性和循环性能（来源：CCS Chem）

为了验证该新策略的普遍性，作者又选择了乙醇脱氢酶来进行研究。作者采用相同策略制备得到的复合材料同样呈现纳米花结构，且表现出了相比游离酶更高的催化活性，以及优秀的稳定性和循环性能（图3）。

图3 AlcDH@nf-Zn(mIM)₂（来源：CCS Chem）

最后，为了进一步拓展该策略的应用，作者选择了与Teixobactin生物合成相关的硫酯酶（TE）来进行固定化。该酶以十一肽为底物，催化其形成特征的teixobactin内酯环（图4A）。实验结果表明，该策略得到的纳米花形复合材料能够胜任多肽底物的催化反应，具有与游离酶相当的催化活性以及优秀的稳定性和循环性能（图4B）。该结果表明，本文开发的纳米花MOF负载策略对于不同类型的酶具有较好的普遍性和实用性。

图4 TE1-TE2@nf-Zn(mIM)₂（来源：CCS Chem）

综上，本文通过低前驱体浓度产生的片层结构纳米花形ZIF克服了sod-Zn(mIM)₂孔径的限制，该ZIF材料可以作为酶固定化的一般载体。制备得到的复合材料对底物大小具有显著的耐受性，具有更高的酶负载效率，同时显著提高了酶的稳定性和循环性能。

本论文发表于中国化学会旗舰期刊CCS Chemistry (DOI: 10.31635/ccschem.021.202000759)。张琪课题组研究生屠韵杰为论文第一作者。该研究工作得到国家自然科学基金委项目及国家重点研发项目的支持。

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