Nat. Commun.：利用机械化学法快速将生物催化剂封装于坚固的金属有机框架材料

酶固定化在工业上具有很大应用价值，可以增加酶的回收效率减少成本并能提高其稳定性或增进匀相催化的效率。金属有机框架材料（Metal-organic Frameworks, MOFs）因其具有高度可调节性而被认为是极具吸引力的作为酶固定化使用的固体基质之一。MOFs不仅能作为惰性的主体材料且能赋予酶对于底物的选择性、强化结构稳定性以及(或)增加催化活性。传统酶固定化多采用将酶吸附于预先合成的MOFs，此方法中的酶会出现脱附的情况。若想将酶封装于材料中则须在材料合成过程中加入酶，然而MOFs合成多采用溶剂热法，该方法需要大量有机溶剂、高温及长合成时间，这些条件会造成酶严重失活且不符合绿色化学的追求。de novo 或仿生矿化封装这类水相合成法虽能解决溶剂热法造成的失活但只适用于ZIF-Type材料如ZIF-8及ZIF-90，对于UiO-66-NH₂这类有机配位体不溶于水的材料则无法合成。机械化学法因其只需极少量溶剂、极短的合成时间、趋近固相的合成条件被认为能有效维持酶活性并解决上述问题的可行方法之一。

近日，上海科技大学的卓联洋研究员、台湾中央大学的谢发坤教授团队和美国波士顿学院的宗家洸教授团队合作，成功利用两步法的机械化学法在数分钟内合成出UiO-66-NH₂、Zn-MOF-74及ZIF-8封装β-glucosidase (BGL)、β-galactosidase (β-gal)以及catalase (CAT)三种酶的生物复合材料，使其维持活性并利用材料的孔洞特性抵抗蛋白酶这类大型分子的降解作用（图1）。

图1. 合成示意图

研究者通过粉末X-射线衍射（图2a）证明MOFs在封装酶后依然具有正确的晶体拓谱特征峰。经由聚丙酰胺凝胶电泳（SDS-PAGE）初步确认酶封装于材料中而非吸附于材料表面（图2b），并进一步通过聚焦离子束-扫描电子显微镜及荧光显微镜证明了上述结果。

图2. (a) PXRD光谱 (b) SDS-PAGE (M : 蛋白分子量标准；1 : Free BGL；2 : BGL-on-UiO-66-NH₂；3 : BGL@ UiO-66-NH₂)

经由酶催化活性试验，研究者证明两步法机械化学合成的生物复合材料相较于溶剂热法及一步法能够极大的维持酶的作用活性（图3），有效减少了温度及有机溶剂对于酶的伤害。

图3. 酶催化活性；溶剂热法(绿)，一步机械化学法(红)，两步机械化学法(蓝)

通过在不同pH值/有无蛋白酶存在的环境进行酶活性测试，研究者发现，UiO-66-NH₂这类对酸性有较好稳定性及具有较大材料孔径的MOFs，能在BGL具有最佳催化活性的弱酸性环境持续保持对酶的保护性，使酶免于蛋白酶的降解从而维持其活性（图4）。

图4. 不同环境的相对酶活性

该研究成功研发出新型的酶固定化法，并有效改善传统合成法对于酶活性的损害，为之后酶固定化的应用提供新的可能性。相关工作发表于Nature Communications 上。

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）：

Rapid mechanochemical encapsulation of biocatalysts into robust metal–organic frameworks

Tz-Han Wei, Shi-Hong Wu, Yi-Da Huang, Wei-Shang Lo, Benjamin P. Williams, Sheng-Yu Chen, Hsun-Chih Yang, Yu-Shen Hsu, Zih-Yin Lin, Xin-Hua Chen, Pei-En Kuo, Lien-Yang Chou, Chia-Kuang Tsung, Fa-Kuen Shieh

Nat. Commun., 2019, 10, 5002, DOI: 10.1038/s41467-019-12966-0

卓联洋博士简介

卓联洋，上海科技大学物质科学与技术学院，助理研究员。毕业于美国波士顿学院，2016年八月博士毕业即加入上海科技大学。主要研究领域涉及纳米粒子合成、孔洞材料制备、高效能及高选择性非均相催化剂设计发展等方面的应用。目前已在相关研究领域发表SCI论文23篇，其中以第一或共同第一作者在 Journal of the American Chemical Society, Small, Nanoscale 等国际重要期刊发表SCI论文7篇，近期以通讯作者身份在在Angewandte Chemie International Edition, Nature Communications, and Journal of the American Chemical Society 等发表SCI论文3篇。

宗家洸教授简介

宗家洸，美国波士顿学院化学系，研究员，副教授。博士毕业于美国加州大学圣芭芭拉分校，在美国加州大学伯克利分校从事博士后研究工作。主要研究领域涉及晶体微孔材料的设计及其在多相催化、能源及生物医疗方面的应用，并运用化学，纳米技术与材料科学开展界面研究等。先后获得美国美国国家自然科学基金，丰田北美研究中心及美国化学会石化基金会等赞助的多项大型研究计划，被邀请在国际学术会议上作重要报告达40余次。目前已在相关研究领域发表SCI论文59篇，包括以通讯作者发表在Nature Materials, Nature Chemistry, Journal of the American Chemical Society, ACS Nano 等多项高质量工作。工作成果多次被其他科研工作者所引用，总引用次数已达4200次以上，h-index 已达到34。

谢发坤教授简介

谢发坤，台湾中央大学化学系教授兼理学院副院长。学硕士在台湾新竹交通大学应用化学系及生物科技所完成，之后获得台湾教育部公费留学奖学金赴美国加州大学圣塔巴巴分校化学暨生化学系攻读博士学位，且在加州大学洛杉矶分校分子中心从事博士后研究。主要研究将生物分子如蛋白酶或是细胞组织结合金属有机骨架材料(MOFs)固定化后进行催化性质研究, 并将其应用于工业上例如食品，医疗等酶的应用上。研究先后获得台湾优秀青年学者计划以及杰出论文奖的荣誉，也多次获邀在国际著名化学会议上作重要工作报告。目前已在相关研究领域发表SCI论文44篇。包括以通讯作者发表于Nature Communications，Chemical Communications，Journal of the American Chemical Society 等国际重要期刊的多项高质量工作。