Angew. Chem.：蛋白模板法合成新型金属-有机框架材料用于生物大分子载运

类沸石型金属-有机骨架材料（ZMOFs）作为沸石和MOFs材料的重要分支，继承了MOFs和沸石两类材料的优点，如笼状空腔、高孔隙率、可调节孔道、功能定制化等，因此在催化、气体吸附分离、固定化酶等领域展示了巨大的应用潜力。尽管沸石型拓扑结构非常多，但是受限于合成方法和构筑策略的缺乏，至今ZMOFs.的报道还比较少。模板合成法已经被证明是一种合成新型多孔晶态材料的强大而有力的策略。如果模板剂在材料合成后仍然保留在其结构中，将赋予材料新的功能，如手性、催化、荧光等。到目前为止，模板分子通常由无机、有机或有机-无机复合物等小分子组成，而生物大分子特别是蛋白质作为模板剂合成多孔晶态材料的研究尚未见于报道。近日，南开大学药物化学生物学国家重点实验室陈瑶研究员（点击查看介绍）首次成功利用蛋白质作为结构模板剂合成了一种新型类沸石型金属-有机框架材料（ZPF-1，ZPF = Zeolitic Pyrimidine Framework），并成功应用于生物大分子的载运和生物催化（图1）。

图1. 蛋白质在ZMOF合成过程的模板效应。

研究发现，在2-羟基嘧啶与硝酸锌水溶液的室温反应中加入蛋白质可以得到具有sod拓扑结构的ZPF-1材料，而相同条件不加入蛋白却得到dia拓扑结构（DIA-1）。蛋白的模板效应具有很好的普适性：牛血清白蛋白（BSA）、过氧化氢酶（CAT）、葡萄糖氧化酶（GOX）等多种蛋白都可诱导得到ZPF-1。进一步发现，蛋白中的组氨酸对其模板效应和形成的产物结构起到了关键作用。研究者通过外加组氨酸的方法证实了这一发现，随着组氨酸的加入量的增加，产物将由dia结构，转变为dia+sod混合结构，进而完全生成sod结构。为了进一步在蛋白水平验证模板效应并研究其相关机制，研究者表达合成了含有组氨酸的GST蛋白和不含组氨酸的rGST。实验结构表明，归因于蛋白结构中组氨酸成分的模板效应，GST得到了具有sod拓扑结构的ZPF-1，而无组氨酸的rGST却不具备模板效应，因而得到了dia结构的DIA-1。

图2. 蛋白质中组氨酸作为结构模板剂引导合成蛋白负载型MOFs材料。

蛋白质在发挥模板效应的同时可以被原位高效负载在ZPF-1结构中，从而可作为一种新型的生物分子负载平台。研究发现，负载了过氧化氢酶的ZPF-1（CAT@ZPF-1）在加热或溶剂处理下可以有效保留70%以上的酶活，而游离酶在相同条件下大量失去（65-99%）酶活。CAT@ZPF-1还具有较好的重复利用性，经10个使用周期后，其酶活无明显下降。此外，作者还研究了ZPF-1对抗体的保护作用。采用酶联免疫吸附试验(Elisa)测定了从G-IgG@ZPF-1中释放的G-IgG抗体活力，证实ZPF-1对抗体活性具有很好的保护作用。

图3. (a) 不同处理条件下CAT和CAT@ZPF-1的活性；(b) CAT@ZPF-1的重复利用性；(c) G-IgG@ZPF-1释放的G-IgG和free G-IgG的活性比较；(d) 各种处理条件下free G-IgG和G-IgG@ZPF-1释放出的G-IgG的相对活性比较。

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Protein Structure-Directed Metal-Organic Zeolite-Like Networks as Biomacromolecule Carriers

Huanrong Wang, Lin Han,, Dong Zheng, Mingfang Yang, Yassin H. Andaloussi, Peng Cheng, Zhenjie Zhang, Shengqian Ma, Michael J. Zaworotko, Yifan Feng, Yao Chen*

Angew. Chem. Int. Ed., 2020, DOI: 10.1002/anie.202000299

导师介绍

陈瑶研究员于2006-2009年获南京工业大学硕士学位（导师：黄和教授）；于2011-2014获美国南佛罗里达大学化学博士学位（导师：马胜前教授）；于2014-2016年在美国加州大学圣地亚哥分校从事博士后工作（导师：Seth Cohen教授）。自2016年7月在南开大学组建独立课题组以来，聚焦构建适配限域空间以固定化生物分子，着力解决生物制品稳定性和可加工性等关键问题。课题组成立三年来已经取得了丰硕的成果，以通讯作者在J. Am. Chem. Soc. 、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.、Chem. Soc. Rev. 等著名期刊发表论文16篇 （其中IF>6论文12篇），篇均影响因子>11，申请中国专利15项和PCT专利2项。课题组长期诚聘助理研究员、师资博士后、研究生。

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