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    Sci. Adv.:缺陷誘導增強酶-金屬有機框架復合物的活性

    發布日期:2020年04月07日瀏覽量:文章來源:CBG資訊
    Sci. Adv.:缺陷誘導增強酶-金屬有機框架復合物的活性


    酶在細胞中具有高催化效率,但是在與細胞環境不相同的條件下,酶的壽命會縮短并且催化效率降低。解決這一問題的方法之一是設計一種仿生微環境來保護酶,從而使其功能可以保留在不利的環境中。由金屬離子和有機配體形成的金屬有機骨架(MOF)具有多孔結構以及平衡的剛性和柔性,這類似于細胞環境。研究人員已開發出多種方法將天然酶封裝在MOF中構建仿生微環境,從而改善酶在惡劣環境下的生理功能。其中,共沉淀和仿生礦化是在環境條件下將酶、金屬離子和有機配體在溶液中混合,以制備酶-MOF復合物。然而,共沉淀方法合成的酶-MOF復合物的活性與細胞環境中酶的活性相差甚遠。為了提高酶的活性,迫切需要研究在共沉淀過程中酶、金屬離子和有機配體的作用機制。


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    微流體中合成酶-MOF復合材料的合成示意圖

    (來源:Sci. Adv.)


    微流體技術以小規模(微米)處理流體,不僅實現了按比例定律可預測的效果,而且還實現了新的流體力學特性。這些特征允許在空間和時間上對液體進行精確處理,以獲得在本體合成中不可能的混合條件。近期,香港浸會大學任康寧博士和清華大學戈鈞副教授合作提出了在微流體流中合成酶-MOF復合物,其中酶活性顯著提高。作者在微流體系統內部使用了三元混合方案,實現了精確控制的擴散混合條件,并允許一種成分在幾秒鐘后加入系統。微流體合成中MOF前體的濃度不斷變化,導致酶-MOF復合物出現結構缺陷,從而提高了底物的親和性和酶活性。相關成果以“Defect-induced activity enhancement of enzyme-encapsulated metal-organic frameworks revealed in microfluidic gradient mixing synthesis”為題發表在Sci. Adv. 上(DOI: 10.1126/sciadv.aax5785)。


    作者首先使用雙Y形微流體在微通道中合成酶-MOF復合物,鋅離子(Zn2+)、2-甲基咪唑(2-MeIM)和蛋白質作為反應物,第二個Y形微流體用于在前兩種反應物混合后再添加另一種反應物。反應物之間的混合依賴于流體擴散,由于雷諾系數低,這是一種可精確預測的合成方式。該方法可以通過時間間隔轉換來控制混合,計算微通道中的速度分布和濃度分布,反應物經過足夠的時間混合后再到達在第二個Y結處與蛋白質分子混合。在該微通道中,作者以三種代表性的混合方式合成了細胞色素c(Cyt c)-MOF復合物,驗證了蛋白質-MOF復合物形成的可能機制,表明蛋白質分子首先吸附2-MeIM,然后誘導蛋白質周圍MOF骨架的仿生礦化。微流體制備的酶-MOF復合物的結晶度降低,XRD峰向低角度移動,這可能是由于復合材料中的缺陷所致。


    為了研究微流體合成中的特殊混合方式是否會改變產物的性能,作者使用微流體流制備了葡萄糖氧化酶(GOx)-MOF復合物,其負載了8.45%的GOx,并顯示出98%的GOx活性,這是通過共沉淀過程制備的酶-MOF復合物的酶活性的最高記錄。為了驗證酶-MOF復合物具有高活性是否是由于2-MeIM和Zn2+之間相對較高的摩爾比,作者通過調節2-MeIM和Zn2+的比率合成了GOx-MOF復合物。梯度混合誘導的酶-MOF復合物具有高催化活性,其中比率的連續變化是關鍵因素,而不是高比率。為了研究梯度混合法使酶-MOF復合物的活性顯著增加的根本原因,作者采用微流體流動合成和本體溶液合成制備了GOx-MOF復合物。通過傅立葉變換獲得了R空間信息研究微流體合成樣品與本體溶液合成的樣品中的Zn原子周圍的短程局部結構,結果與鋅和N原子的配位相對應的峰有良好的一致性,這表明Zn-N配位也存在于微流體合成MOF中。相比本體溶液合成MOF,微流體合成MOF中鋅原子具有較高的表觀配位數,揭示了在微流體合成的GOx-MOF復合物中,鋅原子出現在骨架中并與N原子相互作用導致了鋅原子配位缺陷。


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    微流體合成Cyt c-MOF復合物的、結構、形貌等示意圖

    (來源:Sci. Adv.)


    為了驗證該方法的通用性,作者使用辣根過氧化物酶制備了HRP-MOF復合物。與天然HRP相比,HRP-MOF復合物中HRP負載量百分比為4.71%,并且具有約63%的活性。酶活性增強的原因可能是酶分子在MOF納米晶體的生長過程中被囊封,因此靠近顆粒表面,從而可以更好地接近底物分子。同時,微流體合成的酶-MOF復合物在高溫和蛋白酶消化下的穩定性也優于相應的天然酶,并且作者還觀察到增強的可重復使用性和存儲穩定性。微流體合成復合材料活性的提高主要歸因于MOF中的缺陷,從而促進了基質的擴散。與本體溶液合成相比,通過微流體合成制備的所有復合物均顯示出顯著增強的活性,但通過微流體以不同混合方案合成的復合物也顯示出活性差異,這可能是由于酶在MOF中的位置不同所致。當使用微流體層流合成方法時,可以將缺陷的程度控制在合適的點。


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    微流體合成的酶-MOF復合物與單一酶活性的對比

    (來源:Sci. Adv.)


    小結:香港浸會大學化學系任康寧博士和清華大學戈均副教授等人合作,通過微流體合成酶-MOF復合物,提高了酶的活性、穩定性和耐久性。在沿著微通道的反應物比率連續變化的情況下,所得產物顯示出配位缺陷,形成中孔微結構。孔徑的多峰分布確保了酶的固定,降低了對傳質的抵抗力。微流體層流合成策略獨特的梯度混合性質,可控制、連續和快速地合成具有改進活性的酶-MOF復合材料,這為酶-MOF復合材料和其他生物復合物的合成提供一種新的通用方法。


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