CREST | 南京大学张淑娟课题组：金属有机框架固定漆酶——现状、挑战和未来展望

导 读

南京大学张淑娟教授课题组在Critical Reviews in Environmental Science and Technology（CREST，《环境科技评论》）期刊发表题为“金属有机框架固定漆酶——现状、挑战和未来展望（Laccase immobilization with metal-organic frameworks: Current status, remaining challenges and future perspectives; DOI: 10.1080/10643389.2020.1854565; Published online: 09 Dec 2020）”的重磅综述。

漆酶是一种重要的生物催化剂，在环境和催化领域具有广泛的应用。然而，漆酶的水溶性高、稳定性差，限制了其在规模化生产中的应用。将漆酶固定化，是解决这一技术瓶颈的有效策略，可提高漆酶在使用过程和不利环境中的稳定性。金属有机骨架材料（MOFs）以其丰富和灵活可调的结构，作为固定化载体可以显著提高漆酶的负载量和稳定性。本文从MOFs固定化漆酶的研究现状出发，总结和梳理了固定化漆酶研究中存在的挑战，提出了漆酶与介体共固定化、漆酶与其它酶共固定化以及生物催化与光催化等体系耦合的三种策略，以进一步提高固定化漆酶的活性。最后，通过分析漆酶和MOFs各自适用的研究领域，展望了未来两者可能交叉的方向。

图1 图文摘要（Graphic abstract）

主要内容

利用MOFs固定化漆酶的方法可分为四种：物理吸附、共价键合、孔隙封装和共沉淀包封。各种方法都有自己的优缺点。漆酶和MOFs之间的相互作用力是决定物理吸附法效能的关键因素。物理吸附法虽然易于操作，但在实际使用时，由于物理吸附所涉及的作用力太弱，容易出现漆酶的泄露损失。MOFs具有丰富的官能团，有利于与漆酶的共价结合。共价键合漆酶的稳定性优于物理吸附的漆酶。然而，在没有介孔的情况下，酶的负载量和酶活性仍然相对较低。共价结合不能充分发挥MOFs内部孔隙的作用，需要配合其它方法。孔隙封装除了取决于酶和载体之间的物理吸附外，酶在进入MOFs通道过程中的构象变化对酶活性造成的影响尚不清楚。与孔隙封装相比，共沉淀包封能更好地保留漆酶的活性，但对载体选择和合成过程有更高的要求。

图2 利用MOFs固定化漆酶的方法总结 

MOFs固定化漆酶是一项系统而复杂的工程。固定化之后，漆酶的稳定性显著提高，但酶活性有所降低。除了对固定化方法的优化外，固定化漆酶活性的评价方法对于固定化研究也很重要。毫无疑问，对漆酶活性的不准确评估会误导固定化漆酶的设计和制造。评估固定化酶的主要参数包括固定化率、酶负载量、酶活回收率等。然而，在文献报道中，普遍存在各种参数的使用含糊不清，不一致且不全面的情况。我们强烈建议在固定化酶的评估中使用规范性术语。论文表2中的四项应该能够全面反映固定化中的所有必要参数。

电子转移效率是决定氧化还原酶催化活性的重要因素。本文基于对漆酶性质的文献综述，提出了进一步提高固定化漆酶催化性能的三种方法：1. 将介体与漆酶共固定化; 2. 通过光诱导电子转移激活漆酶; 3. 将漆酶与其他酶偶联（Table 3）。漆酶和MOFs分别作为生物和非生物催化剂，若能发挥耦合作用，可以进一步增强和扩展应用。因此，我们总结了未来研究的三个可能主题：1. 检测和降解环境中的污染物。我们认为，通过MOFs固定化漆酶处理废水具有良好的应用前景。MOFs可以在特定孔结构和吸附位点的帮助下选择性地富集目标分子。然后，固定的漆膜可以转化目标基质。2. 在一些复杂化学物质的有机合成中，漆酶和MOFs可以一起使用，参与级联反应。MOFs与漆酶的密切接触有望提高整体催化速率。3. MOFs作为光催化剂或电催化剂与漆酶作为氧气的电子受体的耦合是生产生物燃料的有用策略。

总结与展望

定化漆酶的载体具有许多其它材料无法比拟的优点，包括灵活多样的固定方法、丰富的类型、高吸附能力和高稳定性。然而，依然存在的问题是固定化漆酶的活性普遍较低，MOFs与漆酶之间的相互作用机制尚不清楚，MOFs的其他功能尚未完全开发。本文总结了影响漆酶活性的因素，梳理了仍然存在的挑战以及一些可能的努力方向，为后续选择和设计MOFs-漆酶体系提供了有益的参考。

作者简介

第一作者简介：

黄文光，博士，南京大学环境学院环境工程专业毕业，2014年于河海大学获得工学学士学位，之后在南京大学环境学院张淑娟教授课题组攻读硕士和博士学位。研究方向为环境功能材料。

通讯作者简介：

张淑娟，博士，教授，博士生导师，国家优秀青年基金获得者。主要从事水污染控制化学方面的研究，从光致吸附、光致降解、酶促转化和混凝沉淀等多个方面研究了小分子双酮在界面过程和化学转化中对电子和能量转移的调控作用，初步揭示了小分子双酮在水污染控制中的应用潜力和科学内涵，致力于为我国的水质安全保障和水回用提供理论依据和方法支持。

|供稿：南京大学张淑娟课题组

|编排：曾镜羽

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