酶表面残基诱导的金属有机框架晶型调控与催化活性精准调控

作者：X-MOL     2025-03-05

作为生物催化工业化的关键技术瓶颈，酶固定化体系需兼具高稳定性与催化效率。金属有机框架（MOFs）凭借其可调孔径、拓扑多样性和表面功能化潜力，被视为酶固定化的理想载体平台。基于酶表面氨基/羧基与前驱体配位作用的模板导向自组装策略，虽已实现酶分子高负载封装，但难以做到酶活性的最大利用。如何进一步利用酶-MOFs界面相互作用，同步优化封装效率与酶活性，仍是该领域的关键科学问题。近日，上海科技大学的卓联洋课题组提出蛋白质表面富含氮的残基能够导向MOFs的拓扑结构转变，根据这点开发了简易调控酶表面残基的策略（图1）。该策略可同步实现酶分子的高效封装及活性精准调控，并在多种功能蛋白体系中验证了其普适性，为酶-MOFs复合材料的理性设计提供了新思路。

图1. 含氮残基导向MOFs结构转变示意图。图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.

研究团队以细胞色素c（Cyt c）为模型酶，创新性引入阳离子聚合物PDDA进行表面工程化修饰，选择性地屏蔽酶表面羧基位点，促使氨基残基密度增加并改变ζ电位，最终获得氮富集型Cyt c-N（图2）。修饰后的Cyt c-N能够作为动态模板，在MOFs成核阶段与锌离子及2-甲基咪唑配体发生竞争配位，成功诱导经典ZIF-8向层状ZIF-L结构转变。

图2. 酶表面修饰改变残基密度。图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.

这种方法不仅能将ZIF-8的结构转变为更加开放的ZIF-L结构，而且相比于传统的固定策略，能够显著增强Cyt c的催化活性和负载量。催化性能测试表明（图3），Cyt c-N@ZIF-L相较于天然Cyt c的比活性提升1.9倍，Cyt c-N与天然Cyt c差异不大，单独的ZIF-L或PDDA在反应中没有催化活性，这证实当Cyt c-N被包封到MOFs中时，增强了Cyt c的活性。为探明机理，红外光谱分析揭示其α-螺旋含量降低（游离态为18.42%→复合体6.91%），表明蛋白质二级结构发生构象重排，导致活性中心暴露度显著增加。机制解析表明，修饰引入的含氮基团与MOFs前驱体间的配位作用，使得α螺旋二级结构解旋，定向调控了活性位点的空间可及性，因此改变了Cyt c的活性。通过调节表面修饰剂的浓度，能够精确调节Cyt c的催化活性，在特定修饰情况得到最佳的酶功能。

图3. Cyt c-N@ZIF-L及其对照组的催化性能以及蛋白二级结构探究。图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.

比较这种方法与其它方法封装Cyt c的负载量，此模板导向自组装策略能显著提升负载量（图4a）。此外，研究结果表明表面修饰能够应用于一系列等电点不同的蛋白，促进形成ZIF-L，展示了该方法的广泛适用性（图4b）。

图4. (a) 不同方法封装Cyt c的负载量 (b) PDDA可修饰不同等电点的蛋白。图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.

综上，本研究通过酶表面工程化修饰，揭示了酶蛋白质残基介导的ZIF-8向ZIF-L拓扑转变机制，提供了兼具高负载量与高活性MOFs复合MOFs催化体系的一种普适策略，二维MOFs结构也为蛋白在工业催化和生物技术领域的变革性发展提供可能。该成果近期发表在Angewandte Chemie International Edition 上，上海科技大学为唯一通讯单位。

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）：

Enzyme Surface Residues Direct Encapsulation into Metal-Organic Frameworks for Performance Regulation

Mengyao Wu†, Yuexin Du†, Hui Xu, Xiehaoran Zhang, Jialong Ma, Ao Li, Lien-Yang Chou*

Angew. Chem. Int. Ed., 2025, DOI: 10.1002/anie.202423741

研究团队简介

卓联洋研究员，博士毕业于美国波士顿学院，导师是Prof. Chia-Kuang Frank Tsung。2020年全职加入上海科技大学，担任课题组长，目前在Nat. Energy, Nat. Comm., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Funct. Mater., Nano Lett., Chem. Mater., Chem. Sci., J. Mater. Chem. A, Small等期刊发表论文数篇。

课题组主页：

https://spst.shanghaitech.edu.cn/2020/0622/c2349a53236/page.htm    

上海科技大学卓联洋课题组主要从事于多孔复合材料的合成及其在催化、生物、能源等方向的应用研究，长期诚聘博士后、研究生，欢迎具有材料、化学和生物等相关专业背景的学者及学生加盟！（联系方式：zhuoly@shanghaitech.edu.cn）

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