新南威尔士大学Kang Liang课题组：分级多孔生物催化MOF微反应器用作提高多酶和辅因子依赖性生物催化反应的通用平台

近年来，金属有机框架（MOF）用于固定酶和辅因子引起了广泛关注。然而，要实现高效的多酶和辅因子依赖性的生物催化反应仍是一个挑战。优化MOF内部酶的构象和空间分布、反应物及底物接触、辅因子和底物的扩散等是生物催化MOF微反应器设计的关键。在MOF内产生介孔或大孔可使生物分子在MOF内部保持相对自由的状态，同时可提高底物和产物的扩散。其中，单宁酸（tannic acid，TA）具有MOF蚀刻和MOF表面保护的协同功能，MOF内部的介/大孔由TA缓慢释放H⁺刻蚀而成，而TA可包覆在MOF外部防止MOF结构崩塌。该方法简单方便、成本低、耗时少、且TA对多种表面具有较高亲和力，与大多数底物相容，是潜在的多酶和辅因子的固定平台。

近日，澳大利亚新南威尔士大学Kang Liang（点击查看介绍）课题组构建了包裹多酶的分级多孔MOF体系，揭示了酶、MOF和蚀刻剂间的界面相互作用，并将优化的分级多孔MOF微反应器用作通用平台，以提高多酶和辅因子依赖性生物催化反应的效果（图1）。相关研究成果近期发表于Angewandte Chemie International Edition。

图1. 分级多孔酶-MOF体系构建的示意图

图2. 分级多孔酶-MOF的结构表征

扫描电镜（SEM）表明，TA处理后，双酶-ZIF-L保留了MOF的原始形貌。透射电镜（TEM）显示蚀刻后MOF内部出现大量内部孔隙。同步加速器小角X射线散射（SAXS）和粉末X射线衍射（PXRD）表明TA蚀刻后保留了原始MOF的晶格结构。傅立叶变换红外光谱（FTIR）证实了ZIF-L上的TA涂层。同步加速器TeraHz IR和1D ¹³C NMR证实了刻蚀后ZIF-L的分子结构不变。因此，通过TA蚀刻可产生具有分级多孔结构的生物催化MOF，且该反应仅发生于MOF内部而不影响MOF的整体结构。

图3. 分级多孔MOF促进多酶联级反应的机理

评估了不同的TA蚀刻时间对双酶催化效果的影响。随着刻蚀时间从0.5 min到2 min，TEM表明小且离散的微孔过渡为大且互连的介/大孔；同步加速器SAXS揭示了赤道中心的散射强度增加，平均孔径分别约为6.7、7.5和8.3 nm。TA蚀刻1 min，TA浓度为15 mg / mL时，可获得最佳的双酶联级催化效果。基于图3分析，作者发现，共有三个因素共同促进了生物催化级联效率的提高：（i）酶结构重新以较低能量形式的定向，可使更多的酶反应活性位点暴露；（ii）与在微孔中聚集的酶结构相比，TA蚀刻后，酶与ZIF-L之间接触界面的增强降低了反应物和产物的扩散限制；（iii）MOF的介/大孔大大提高了的底物扩散。

图4. 分级多孔酶-MOF的通用性

为证明该蚀刻方法的通用性，进一步探讨了分级多孔MOF微反应器进行三酶联级反应和辅因子依赖性酶生物催化反应的能力。图4表明，TA刻蚀1 min时，三酶的联级反应比蚀刻前提高了16倍，辅因子依赖的酶反应NAD⁺-L-GluDH-ZIF-L和NADH-FDH-ZIF-L分别提高1.7倍和6.6倍。因此，分级多孔生物催化MOF微反应器可用作提高多酶和辅因子依赖性酶生物催化反应的通用平台。

图5. 分级多孔酶-MOF的稳定性

最后评估了分级多孔的MOF微反应器在不利环境下的酶活性。双酶ZIF-L-TA在pH 3处理0.5 h，90 ℃下处理1 h，2.5 mg / mL胰蛋白酶下处理3 h后，仍分别保留68.7%、53％和90％的酶活性。连续循环使用五次后，仍保留80％以上的活性。这主要与MOF框架的“屏蔽”作用、酶与ZIF-L间的共生稳定性、TA涂层的稳定性、及TA刻蚀诱导的酶与MOF框架间较强的配位作用增强了酶结构稳定性等有关，使酶在不利环境下不易发生构象变化。

总结

通过简单的TA蚀刻策略开发了具有分级多孔结构的生物催化MOF微反应器，大大提高了固定化多酶和辅因子依赖性酶生物催化反应的催化效率。其增强效果得益于蚀刻后MOF介/大孔中酶的重新定向降低了酶的表面能、酶和MOF框架分子间相互作用的增强、反应物和产物扩散速率的提高。本研究提出了一种通用的策略，将优化的分级多孔MOF微反应器作为异质生物催化平台用于提高多酶和辅因子依赖的酶联级催化反应，为多种生物技术的应用提供了新的方向。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Hierarchically Porous Biocatalytic MOF Microreactor as a Versatile Platform towards Enhanced Multienzyme and Cofactor‐Dependent Biocatalysis

Jieying Liang, Song Gao, Jian Liu, Muhammad YB Zulkifli, Jiangtao Xu, Jason Scott, Vicki Chen, Jiafu Shi, Aditya Rawal, Kang Liang

Angew. Chem. Int. Ed., 2020, DOI: 10.1002/anie.202014002

导师介绍

https://research.unsw.edu.au/people/dr-kang-liang

课题组网站

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