MOF三元组分调节策略绘制固载酶催化活性火山图

通过调控蛋白质构象以提高酶催化的反应活性和立体选择性是化学和催化科学的一大挑战。诸如介孔二氧化硅、沸石、金属-有机框架（MOF）和共价有机框架(COF)等多孔材料在酶的固载、保存和活性保持（特别是在极端化学条件下）已经硕果累累，然而如何在分子水平上认识和理解酶与载体的相互作用，并利用这些特定的相互作用来实现酶催化活性调节的研究仍无人问津。近日，东南大学程林、上海科技大学章跃标、美国Avogadral Solutions公司袁建等联合团队开展合作研究，提出了三元组分调节（Component-Adjustment-Ternary，CAT）策略，调控MOF载体亲疏水性和酶-载体相互作用，从而首次测绘了固载酶催化活性的三维火山图，并指出MOF载体的氢键作用对酶蛋白质构像的改变是酶催化活性优化的关键。

图1. 三组元MOF固载酶在手性有机催化反应中的催化活性三维火山图

在该项研究工作中，作者采用2-甲基咪唑、甲基-1,2,3-三氮唑、甲基四氮唑三种配体构筑36例同网络的多基元（Multivariate，MTV）MOF材料来固载廉价且较为稳定的天野脂肪酶PS（从洋葱伯克霍尔德菌Burkholderia cepacia，BCL）并测试其动力学拆分手性二级醇反应的催化活性。研究发现，MOF固载脂肪酶的催化活性随着MOF亲水性的提高普遍呈现先升高而后降低的趋势，利用三元配体-MOF固载酶催化活性的三维火山图，可以精准找到催化活性最优的载体组成。深入研究发现，MOF固载酶的蛋白质构象变化是与酶催化活性提升的关键因素。这暗示着MOF载体表面决定亲疏性氮原子可以与酶表面的氨基酸发生氢键相互作用，从而打开了酶活性中心附近的α-螺旋盖子，促进了底物与催化中心的结合而使活性翻倍，并保持了99%过量手性对映体的高选择性。

图2. MOF固载酶中酶与MOF表面可能存在的氢键相互作用及其对脂肪酶蛋白构象的影响。

最后，附上袁建博士词一阙，以歌化学之巧妙：

天净沙 • CAT for Catalysis

酯酶MOF相加

活性先升后压

调控三元价码

氢键接洽

蛋白构象迁拔

相关成果已经在线发表在《美国化学会志》（J. Am. Chem. Soc.）上，东南大学博士研究生李一鸣为论文第一作者，程林副教授、章跃标研究员和袁建博士为论文共同通讯作者。

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）：

Fine-Tuning the Micro-Environment to Optimize the Catalytic Activity of Enzymes Immobilized in Multivariate Metal–Organic Frameworks

Yi-Ming Li, Jian Yuan*, Hao Ren, Chun-Yan Ji, Yu Tao, Yahui Wu, Lien-Yang Chou, Yue-Biao Zhang*, and Lin Cheng*

J. Am. Chem. Soc., 2021, DOI: 10.1021/jacs.1c07107

参考文献：

1. Zhang, J. P.; Zhang, Y. B.; Lin, J. B.; Chen, X. M. Metal Azolate Frameworks: From Crystal Engineering to Functional Materials. Chem. Rev., 2011, 112, 1001−1033.

2. Xu, W. T.; Tu, B. B.; Liu, Q.; Shu, Y. F.; Liang, C. C.; Diercks, C. S.; Yaghi, O. M.; Zhang, Y. B.; Deng, H. X.; Li, Q. W. Anisotropic reticular chemistry. Nat. Rev. Mater., 2020, 5, 764−779.

3. An, H. D.; Li, M. M.; Gao, J.; Zhang, Z. Z.; Ma, S. Q.; Chen, Y. Incorporation of biomolecules in Metal−Organic Frameworks for advanced applications. Coord. Chem. Rev., 2019, 384, 90−106.

4. Liang, W. B.; Wied, P.; Carraro, F.; Sumby, C. J.; Nidetzky, B.; Tsung, C. K.; Falcaro, P.; Doonan, C. J. Metal−Organic Framework−Based Enzyme Biocomposites. Chem. Rev., 2021, 121, 1077−1129.

通讯作者简介

程林，2002年毕业于郑州大学化学系基地班，获化学学士学位。2007年获中山大学理学博士学位（导师：陈小明院士）。同年10月在东南大学化学化工学院工作，目前从事MOF材料、不对称催化和金属药物的研究。发表SCI论文60多篇，被引用600多次；申请专利15项。作为项目主持人先后主持完成国家自然科学科学基金面上项目、青年基金各一项，江苏省自然科学基金面上项目两项，东南大学优秀青年教师教学科研资助计划一项。

袁建，2004年毕业于北京大学化学学院（导师：席振峰院士）；2009年在美国Dartmouth College获得博士学位（导师：Russell Hughes 院士）；2009-2012年在麻省理工学院诺贝尔化学奖得主Richard Schrock组进行博士后研究；2013-2014年在劳伦斯伯克利国家实验室从事MOF研究（合作导师：Omar M. Yaghi院士）；现在就任Avogadral Solutions公司。

章跃标，2006年本科毕业于中山大学应用化学专业，获理学学士学位；2011年毕业于中山大学化学学院，获无机化学专业博士学位（导师：陈小明院士）；2011年8月至2015年1月先后在美国加州大学洛杉矶分校、劳伦斯伯克利国家实验室和加州大学伯克利分校从事博士后研究（合作导师：Omar M. Yaghi院士）；2015年2月加入上海科技大学物质科学与技术学院，担任课题组长、助理教授、研究员和博士生导师。