南开大学陈瑶研究员团队：创制天然-人工复合胶囊用于可控生物催化

天然和仿生颗粒专刊文章

 A Featured Article from

the Special Issue：

Natural and Biomimetic Particles in Bio-applications

客座编辑：马光辉、魏炜、赵春霞

Featured ArticleIn Press

Biomolecule@COF: Natural-artificial hybrid microcapsules for controllable biocatalysis (Open Access)

乔杉，李明敏，于江悦，张赛男，闫东，张振杰，陈瑶

DOI: 10.1016/j.partic.2021.03.002

Keywords: Biomolecule; COFs；Immobilization；Capsules；Controllable catalysis

将天然的生物大分子与人工载体组装成杂化复合体系是促进二者相互融合、协同应用的有效策略。为了使天然-人工复合材料的性能达到最佳，必须确定合适的载体和组装方法。近日，南开大学药物化学生物学国家重点实验室陈瑶团队在Particuology上发表的研究论文，采用牺牲模板法制备Cyt c@COF-42-B微胶囊，并通过对这些组装的新型复合胶囊微环境的精确调控，实现可控的生物催化过程。

图1. 生物分子@COF微粒的制备和其活性的调控示意图

本文收录于Particuology天然和仿生颗粒专刊（Natural and Biomimetic Particles in Bio-applications），该专刊目前仍在征稿中，截止投稿日期延至2021年5月15日，详情请参阅《颗粒学报》天然和仿生颗粒专刊征稿启事。欢迎相关领域学者，特别是生化工程、药物和疫苗递送、合成生物学、生物材料等领域研究人员积极来稿~

本文已OA，欢迎感兴趣的读者扫描下方二维码或者点击文末“阅读原文”进入Science Direct 官网免费阅读、下载！

亮点导读

制备了新型Cyt c@COF-42-B等天然-人工复合胶囊反应器。

反应器内腔的微环境可从多方面进行精确调控。

通过生物大分子与载体的组装及对复合体系微环境的调控，实现可控的生物催化。

研究背景

生物大分子在生物合成、生物传感、生物修复，生物医药等领域具有重要的应用价值。其中，蛋白质具有高特异性和选择性、功能多样性和结构灵活性等特性，是一类重要的生物大分子，然而，其对环境的高度敏感性、回收困难和高成本阻碍了它的广泛应用。因此，亟需提高蛋白质的稳定性、回用性和加工性以突破应用瓶颈。将生物大分子与人工载体组装以制备高稳定性复合体系，并进行功能性调控和性能提升，是实现蛋白类分子产业化应用的关键策略和有效途径。

研究内容

作为新型的晶态多孔材料，共价有机框架(COFs)具有高孔隙率、高稳定性、良好的生物相容性以及易功能化等特性,使其成为潜在优良载体与生物分子组装形成高性能复合颗粒。不幸的是，COFs合成的严苛条件(如有机溶剂或高温)通常会对生物分子产生破坏作用，对其与蛋白的组装形成挑战。因此，COFs与蛋白质的组装主要局限于孔道吸附，但这种策略对蛋白的负载效率较低且容易造成泄漏。此外，由于COFs的孔径限制(≤5 nm)，导致可负载的蛋白种类非常有限。陈瑶研究员课题组的前期工作证明，一些MOFs可以作为结构模板剂以构建酶@COF胶囊。但对于这些胶囊颗粒微环境的精确调控及其对活力和性能的影响，尚待深入探索。在此研究中,陈瑶研究员课题组创制了Cyt c@COF-42-B 共组装微胶囊，以进一步深入研究复合体系组成和微环境的变化对可控生物催化及相关性能的影响。

在此体系中,COFs可以作为载体提供体系对蛋白（Cyt c）的高负载效率和稳定性;另一方面，由于COFs微环境的可定制性(如亲疏水性、孔道率和空腔厚度等)，组装后的微胶囊的生物催化活性可以被精确调节。通过在合成COF过程中加入不同比例的PEG单体对其进行改性，可以控制COF微胶囊的疏水性和传质性，进一步调控并提高体系的活性。测试结果表明，与未加PEG的原始Cyt c@COF-42-B相比，Cyt c@COF-42-B-PEG的活性提高了约2.2倍。研究发现，掺入PEG单体，可使COF微胶囊的厚度减小。为验证亲水性环境对其活性的作用，排除COF胶囊厚度的影响，作者比较了相同厚度的COF微胶囊的催化活性，结果表明Cyt c@COF-42-B-PEG的活性约为Cyt c@COF-42-B的1.6倍。后续，文章进一步研究了在合成COF过程中加入不同比例的PEG单体对颗粒催化活性的影响。发现随着PEG单体比例的增加，COF微胶囊孔道环境的亲水性增加，厚度减小，进而传质阻力降低，Cyt c@COF-42-B-PEG的催化活性逐渐提高。此外，Cyt c@COF-42-B-PEG颗粒对Cyt c显示出优异的保护作用。

图2 Cyt c@COF-42-B-PEG可调控的催化活性动力学表征和TEM图

该研究有助于进一步了解酶与材料的组装及在限域空间内的行为，为微环境调控实现性能提升提供了新的解决方案，相关发现为高性能天然-人工杂化生物活性颗粒的设计提供了有价值的指导，也为生物微器件、人工细胞器/人工细胞的创新构建提供了新思路。

通讯作者

陈瑶研究员

南开大学药物化学生物学国家重点实验室、药学院研究员，博士生导师。国家优秀青年基金获得者。研究聚焦生物大分子的限域精准固定及平台化应用，发表相关论文71篇，其中独立建组近四年以通讯作者在JACS、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.、Chem.、ACS. Catal.、ACS Central. Sci.、Chem. Soc. Rev.等重要期刊发表论文30篇(篇均影响因子>10),7篇论文入选ESI高被引。获批或申请中国发明专利18件，PCT2件和美国专利3件；获得国家自费留学生奖，并入选天津市高层次人才计划；任中国生物医学工程学会纳米分会青委、中国化工学会生物化工专委会及中国生物工程学会青工会委员，并担任欧洲研究理事会评审专家。

课题组网站：https://www.x-mol.com/groups/chen-yao

供稿：原文作者

编辑：《颗粒学报》编辑部

PARTICUOLOGY简介

Particuology(《颗粒学报》)是由中国科协主管，中国颗粒学会和中国科学院过程工程研究所主办，科学出版社和Elsevier出版集团共同出版的英文版双月刊，正式创刊于2003年4月。首任主编为郭慕孙院士，现任主编为李静海院士。

Particuology2019年度影响因子2.787, 五年影响因子3.111，已连续十年分别在SCI化工类及材料综合类期刊中位列Q2区，是颗粒学领域三大期刊之一。同时，《颗粒学报》始终坚持以创精品与国际化为办刊方针，多年来一直保持60%国际稿源，70%国际审稿，作者来自中国、美国、德国、英国、澳大利亚等20多个国家，读者遍布全球100多个国家，并连续九年被评为“中国最具国际影响力期刊”称号。

Particuology主要刊登国内外颗粒学领域在研究、工程和应用方面的优秀原创论文，内容涉及颗粒测试与表征、颗粒制备与处理、颗粒系统与固体散料技术、流态化与颗粒流系统、模拟与仿真技术、气溶胶科学与技术、材料科学与工程、纳米颗粒、能源颗粒、生物颗粒与仿生技术等领域。热忱欢迎国内外相关领域专家、学者、研究人员来稿！

往期推荐

点击“阅读原文”

查看原文文章