“软-硬结合”温敏聚合物-MOFs@enzymes酶反应器及其高效酶解

酶作为性能优异的天然催化剂，具有区域选择性和立体选择性以及高效率酶解的独特优势，因此，酶在生物、生化、化学、化工及药物研究等领域至关重要。但天然酶对pH和温度敏感性高，且对抑制剂和大多数有机溶剂耐受性低等特性，严重限制了其实际应用。酶固定化虽然可以提高酶的可重复使用性和稳定性，但仍然存在诸多局限性，如：酶的构象自由度受到固定化材料紧密堆积的影响进而影响分子在酶解过程中的特异性识别，也会显著降低酶的催化活性。因此，迫切需要人们探索更先进的技术和方法来克服上述的局限性，并通过有限空间内的微纳限域效应来提高酶解效率。

受自然界鸟巢的启发，若能将仿生“软智能聚合物”与无机纳米硬颗粒相结合的鸟巢型酶反应器的设计也许是一种解决上述挑战与难点的极有前途的策略。尽管研究者们前期已在构建基于金属有机框架（MOFs）的多孔纳米酶反应器方面已经付出了相当大的努力，但由于包埋固定化法会导致酶的构象受限，而且基于MOFs@enzymes酶反应器的酶解效率仍然不能通过改变外界环境条件来进行调控。

图1. 合成制备“软-硬结合”MOFVN示意图。图片来源：J. Mater. Chem. B

在国家自然科学基金委项目的支持下，中国科学院化学研究所齐莉研究员（点击查看介绍）课题组在前期研究工作的基础上（Anal. Chem., 2022, 94, 11807），报道了一种基于“软-硬结合”的策略成功构建了鸟巢型温敏聚合物-MOFs@enzymes酶反应器（Enzymes@MOFVN）。作者使用MOFs作为聚合物修饰的刚性模板，使用热响应聚合物VN作为固定化酶的“保护软巢”（图1）。值得一提的是，所构建的鸟巢型多孔酶反应器表现优异，基于聚合物链VN随温度变化引起的微纳孔限域效应，该酶反应器表面可提供一个柔软的类鸟巢微环境来维持酶的构象自由；与25 ℃的酶解速率相比，通过改变环境温度可显著提升酶反应器的酶解速率至37.7倍（图2）。

图2. 基于Enzymes@MOFVN刺激响应性能调控酶解效率示意图。图片来源：J. Mater. Chem. B

研究结果表明：所构建Enzymes@MOFVN可用于葡萄糖比色传感检测，还展示了其在预测固定化酶分子量（23.0 KD至150.0 KD）方面的潜力。该策略用途广泛，适用于各种MOFs-聚合物软巢基质设计并用于酶的固定化研究。聚合物软巢的孔径可通过改变温度来调节，从而可针对特定酶和其不同应用来定制具有刺激响应性能的纳米酶反应器。该项研究为构建基于MOFs的智能调控酶反应器及复杂生物环境中底物的高效酶解提供了新的思路。

该文章的第一作者是中国科学院化学研究所乔娟副研究员及硕士研究生成澄，通讯作者为中国科学院化学研究所齐莉研究员。该工作还得到了暨南大学李丹教授的大力帮助和国家自然科学基金的资金支持。

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）：

Thermo-responsive polymer-modified metal-organic frameworks as soft-rigid enzyme-reactors for enhancement of enzymolysis efficiency using a controllable embedding protocol 

Juan Qiao^§, Cheng Cheng^§, Dan Li, Li Qi* 

J. Mater. Chem. B, 2023, DOI: 10.1039/D3TB00844D

导师介绍

齐莉

https://www.x-mol.com/groups/Qi_L