失活？变性？全都不怕——蛋白质的亲水性MOF“盔甲”

将生物大分子（如蛋白质）封装在金属有机框架（MOF）中，可以在严苛环境下保护其生物功能不受影响。尽管这种被称为仿生矿化（biomimetic mineralization）的方法获得了不少成功，但对于作为“盔甲”存在的MOF涂层本身化学性质的研究却十分有限。例如，沸石咪唑酯框架-8（ZIF-8）由于可在生物相容性条件下合成，被广泛应用于仿生矿化，然而ZIF-8化学的一个重要方面是其疏水性，目前其疏水性与生物矿化应用之间的关系的研究还非常少。另外，表面吸附如何改变蛋白质的结构和活性？这个问题也是研究的焦点。众所周知，蛋白质对疏水表面具有更高的亲和性，疏水相互作用又常常会引起构象变化，导致蛋白质变性以及失活。事实上，人们已经观察到特定的酶，例如过氧化氢酶（catalase, CAT），在被包裹于ZIF-8中时会失活。那么，使用更亲水的框架来包裹酶，是否会对保持酶的活性有帮助呢？

最近，澳大利亚阿德莱德大学的Christopher J. Sumby、Paolo Falcaro、Christian J. Doonan等研究者使用已知结构的三种MOF——亲水性的MAF-7、ZIF-90和疏水性的ZIF-8，分别包裹了过氧化氢酶和尿素酶（urease），比较了这些MOF对酶活性的影响。数据表明，当这两种酶封装于亲水性的MOF中时，即便暴露于高温、变性环境、蛋白水解环境、有机溶剂，酶活性都能得到保留。但如果封装于疏水性的MOF，两种酶要么活性几可忽略不计要么根本无活性（图1a）。相关论文发表于J. Am. Chem. Soc.，论文第一作者为Weibin Liang博士。

图1. （a）亲水性及疏水性MOF包裹对酶活性的影响；（b）MOF包裹酶的共聚焦显微镜图像；（c）不同材料中CAT的催化活性。图片来源：J. Am. Chem. Soc.

作者首先进行了材料合成和酶的包裹。他们首先选取了三个基于ZIF结构的MOF：ZIF-8、ZIF-90和MAF-7，并通过中子衍射表征了这些MOF的结构。然后，他们将荧光基团引入过氧化氢酶得到标记的酶（FCAT），并将其包裹于这些MOF材料中。吸附在材料表面的记为FCAT-on-ZIF，而吸附于孔道内的记为FCAT@ZIF。他们通过共聚焦显微镜研究了其细胞内定位（图1b）。图像显示，FCAT分子在FCAT@MAF-7和FCAT@ZIF-90晶体中的分布比FCAT@ZIF-8更均匀，后者的FCAT主要位于表层区域。这表明酶在亲水性和疏水性的ZIF中形成不同的空间分布。在研究负载后的FCAT的酶活性实验中，他们发现FCAT@ZIF-8表现出的活性基本可以忽略不计，而吸附于ZIF-8表面的酶（FCAT-on-ZIF-8）也没有活性（图1a/1c）。与之相反，FCAT@MAF-7展现出与游离FCAT酶接近的活性，而FCAT@ZIF-90的活性与游离酶相比尽管有较大降低，但仍远高于FCAT@ZIF-8。吸附在MAF-7和ZIF-90材料表面的酶也有活性，但比起吸附在孔道内的酶活性要低，可能是与底物扩散受阻以及紧密堆积导致酶结构变化有关。

作者接着讨论了导致酶活性变化的因素。他们首先排除了醋酸盐的影响，因为在合成过程中的盐浓度很低。紫外-可见光谱显示了ZIF包裹的酶复合材料与游离CAT酶的Soret吸收波长都位于407纳米，没有偏移（图2a）。CAT结构在ZIF复合材料中没有被改变，并且ZIF的组分也不抑制酶的活性位点。CAT@MAF-7、CAT-on-MAF-7和CAT@ZIF-8显示了与游离酶基本相同的荧光曲线（最大发射峰335纳米）。然而，CAT-on-ZIF-8的最大发射峰蓝移到330纳米（图2b）。这些数据表明，在酶吸附到ZIF-8表面之后，三级结构受到影响，这也可以解释为什么被吸附的酶不具有催化活性（图1c）。

图2. （a）酶与负载酶的紫外-可见光谱；（b）酶与负载酶的荧光光谱。图片来源：J. Am. Chem. Soc.

作者通过傅立叶变换红外光谱（FTIR），进一步深入研究了孔道吸附型和表面吸附型CAT-ZIF的结构（图3）。总的来说，收集到的数据支持这样一个假设，即ZIF-8的疏水性导致了CAT无论吸附在表面上还是孔道中，都发生了团聚。相对的，包裹于MAF-7及ZIF-90的CAT的酶结构则保持了完整性，且与游离酶结构一致。

图3. 包裹于ZIF结构中CAT酶的傅立叶变换红外光谱和二阶导数光谱。图片来源：J. Am. Chem. Soc.

最后，作者研究了有亲水性MOF保护的酶在不同环境下的活性（图4）。在50 ℃、60 ℃和70 ℃下，没有保护的FCAT酶活性显著下降。与之前的研究一致，ZIF-90为包裹其中的FCAT提供了一定程度的保护，暴露于50 ℃、60 ℃后，其活性分别保留了80%和65%。值得注意的是，MAF-7比ZIF-90在高温下提供了更好的保护，暴露于70 ℃的温度下，MAF-7包裹的酶活性依旧保持了初始活性的79%，而游离酶和ZIF-90包裹的酶活性只有初始活性的25%左右。在不同有机溶剂下，有亲水性MOF保护的酶活性也比游离酶高很多。FCAT@MAF-7还具有较强的可持续活性，在循环10次催化反应后，也没有观测到显著的活性降低。

图4. 酶活性实验。图片来源：J. Am. Chem. Soc.

总结

最近有不少使用诸如MOF类多孔材料负载生物活性物质，进行细胞和活体实验的研究。但是，材料亲/疏水性对于保持生物活性的影响却鲜有讨论。这里，作者使用了同一拓扑结构的不同亲/疏水性MOF，研究了亲/疏水性对于酶活性的影响。他们证明了亲水性MOF对于负载其中的酶有相当高的保护作用，而疏水性的材料则不能提供相同程度的保护。此项研究表明，优化酶和封装材料之间的疏水/亲水相互作用，对于高效封装和提高生物分子稳定性至关重要。

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）：

Enhanced Activity of Enzymes Encapsulated in Hydrophilic Metal−Organic Frameworks

J. Am. Chem. Soc., 2019, DOI: 10.1021/jacs.8b10302

导师介绍

Christopher J. Sumby

https://www.x-mol.com/university/faculty/29660

Christian J. Doonan

https://www.x-mol.com/university/faculty/29651

（本文由叶舞知秋供稿）