Nano Res.[单元]│朱成周课题组基于金属-有机框架构筑多功能蛋白阱用于酶封装和模拟

背景介绍

酶在维持有机生命体的物质转化中扮演着至关重要的角色。得益于其极高的催化活性及特异性，酶在生物工程、治疗、环境保护、生物传感等方面的应用前景日益广阔。然而，酶分子本身的不稳定性使其在极端的环境下易失活，使其在实际应用中受到了一定的限制。为此，研究人员致力于将酶固定在具有刚性结构的金属-有机框架(MOFs)中。这些MOFs就像盔甲一样能够保护酶免受外界刺激的干扰，但它们同时也像牢笼一样将酶封闭在固定的空间里，限制了酶本身的自由度及物质传输。因此，合理设计功能性的MOFs并调控其空腔结构可实现高效酶固定以及纳米生物催化应用。

成果简介

朱成周课题组构建了一种具有类酶催化活性的多功能蛋白阱载体，实现了有效的酶封装和模拟。通过配体缺失工程将具有氧化还原性的羧基二茂铁(Fc)引入到二维钴基MOF中构筑缺陷丰富的蛋白阱结构（CoBDC-Fc）。值得注意的是，所构筑的蛋白阱不仅表现出对酶优异的负载能力，而且固定化酶的催化效率得到了明显的提升。一方面，蛋白阱中原子级分散的Fc位点能够作为助催化剂或辅助因子，甚至影响酶的构象结构从而增强CoBDC-Fc/酶复合物的催化活性。另一方面，得益于MOF的保护作用，固定化酶表现出良好的可回收性以及对环境的耐受性。此外，Fc的引入也赋予了CoBDC-Fc类过氧化物酶活性。利用CoBDC-Fc/葡萄糖氧化酶组成的级联催化反应体系构筑了免疫生物传感平台，实现对前列腺特异性抗原的灵敏性检测。

图文导读

图1. 功能化蛋白阱结构的构建。CoBDC-Fc纳米片的厚度为13-16 nm左右，这可以改善酶因深度包埋而引起的传质阻力的影响。TEM和BET表征了该蛋白阱具有类似于“埃曼塔奶酪”的丰富空隙（2-8 nm）结构。

图2. 酶的固定。共聚焦荧光显微镜图像表明酶的成功固定。通过荧光和比色两种策略评价了MOF对酶的负载能力。相较于无缺陷结构的MOFs，蛋白阱的引入显著提高了MOFs对酶的负载量。

图3. 酶活性评价。相较于游离酶，CoBDC-Fc/酶复合材料表现出更高的催化活性。研究表明，CoBDC-Fc具有类过氧化物酶及过氧化氢酶活性，在复合体系中充当助催化剂协同增强整体的催化效率。

图4.机理探究及稳定性评价。通过分析酶负载前后的催化常数及二级结构的变化，证实了疏水性的Fc能够诱导酶二级结构的改变，增加活性位点的暴露量，从而实现催化性能的提升。此外，得益于蛋白阱的保护作用，固定化酶能够较好的抵抗外界极端环境的干扰。同时表现出良好的可回收性。

图5. 酶联免疫分析传感平台的构建及应用。与游离体系相比，得益于蛋白阱对酶活性的增强作用及“纳米尺度邻近效应”，固定化体系表现出更高的催化效率。基于此，所构筑的传感器实现了对前列性特异性抗原的灵敏性检测。

作者简介

朱成周，本文通讯作者，主要研究领域，原子尺度纳米催化和生物传感。华中师范大学教授，博士生导师，分析化学研究所所长。英国皇家化学会会士、国家高层次人才青年项目入选者和科睿唯安全球高被引学者。至今以第一/通讯作者在Chem. Rev.、Chem. Soc. Rev.、Adv. Mater.、Angew. Chem. Int. Ed.、Anal. Chem.等国际著名学术期刊发表学术论文130多篇。担任期刊Front. Bioeng. Biotechnol.和Adv. Agrochem副主编，Anal. Chim. Acta、Biosensors等期刊编委和《物理化学学报》期刊青年编委。同时担任中国生物物理学会纳米酶分会第二届委员，湖北省化学化工学会分析化学专业委员会副主任。2021年荣获中国分析测试协会科学技术奖CAIA奖二等奖。课题组主页：https://www.x-mol.com/groups/zhulab_ccnu

文章信息

Xu W, Wu Y, Jiao L, et al. Protein trap-engineered metal-organic frameworks for advanced enzyme encapsulation and mimicking. Nano Research, 2022, https://doi.org/10.1007/s12274-022-5045-4.

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