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超稳定介孔HOFs纳米级联反应器用于生物标志物的灵敏即时传感

在生物体复杂的生物反应中,存在一种酶的产物是另外一种酶的底物的现象,它们之间相互配合,共同完成精密复杂的代谢反应。这种在酶促反应中连续激活的化学反应模式被称为酶级联反应。受到这种生物活动过程的启发,科学家们利用天然酶作为分子识别单元,开发出了系列的酶级联传感体系。然而,尽管酶具有反应条件温和、专一性强和高效等优点,但其对外界环境(温度、pH和有机溶剂等)高度敏感,易失活和变性。此外,基于溶液状态的酶级联传感反应系统存在后续分离困难、难回收和重复使用、稳定性差等缺陷。


酶固定化是指用固体材料将酶束缚或限制于一定区域内,是一种可提高酶生物活性和稳定性的有效策略,有助于模拟和控制生物催化反应的进程,并具有可重复使用和操作连续可控等一系列优点。金属有机框架(MOFs)是一类新型多孔材料,因其比表面积大和孔隙率高等优点,近年来已成为酶固定化载体研究的热点。中山大学欧阳钢锋、陈国胜研究团队前期已开发了系列新型的原位组装的MOFs限域酶级联传感体系,所设计的MOFs限域的微环境已被证实了能够有效提高酶活性和稳定性,实现了葡萄糖和过氧化氢等小分子生物标志物的快速、灵敏分析。然而,目前由原位组装法合成的MOFs限域的酶级联传感体系存在载体选择性少、酶固定化效率低和载体结构不稳定等缺陷。更重要的是,此类MOFs开放的孔道尺寸极小,故只有极少数的生物标志物能够进入所设计的MOFs限域的酶级联体系。


中山大学欧阳钢锋、陈国胜研究团队近期报道了一种温和的蛋白质导向的氢键组装策略,得到了高度结晶的氢键生物杂交框架(Chem2021, DOI: 10.1016/j.chempr.2021.07.003)。为了解决上述MOFs限域的酶级联传感平台应用范围小、使用寿命短和传感灵敏度有待提升的问题,利用该策略,将不同的双酶或三酶级联体系限域于长程有序的介孔氢键有机框架(MHOFs,24.5 × 18.6 Å)中,得到MHOFs纳米级联反应器。所设计的介孔微环境有利于底物的扩散与传质,与ZIFs限域的级联催化相比,构建的MHOFs级联反应平台具有优异的活性和超高的稳定性,并大大拓展了传感底物的范围。


首先,以MHOFs限域GOx-HRP双酶(MHOFs-GH)为例,应用低电子剂量冷冻电镜技术、红外、激光共聚焦、小角散射等技术阐明了双酶-MHOFs杂化体的微观结构以及组装原理,结果表明双酶均匀地被限域于MHOFs中,而不是被表面吸附于MOHFs的表面。

图1. 将GOx-HRP双酶系统限域于MHOFs中实现高效的级联催化性能


为了验证所构建的基于MHOFs的生物级联催化平台能够适用于更大尺寸的底物的扩散,研究人员将底物尿酸(分子尺寸ca. 5.0× 7.0 Å)和黄嘌呤(分子尺寸ca. 5.0 × 6.9 Å)的双酶级联系统UOx-HRP和XOD-HRP分别限域于MHOFs中。级联催化结果也证实了介孔结构能够促进更大底物的传质与扩散,实现高效级联催化,而这是ZIF-8限域的酶级联体系所不能完成的。此外,在以乳糖(分子尺寸ca. 7.6 × 8.6 Å)的β-Gal-GOx-HRP三酶体系中,MHOFs级联反应器也体现出了优异的催化反应活性。级联传感平台在酸、加热处理后的稳定性,以及可重复利用性也得到了验证。


鉴于上述优异的MHOFs限域的酶级联催化活性,研究人员构建了不同的双酶或三酶MHOFs级联传感平台,得到了超灵敏且稳定的即时诊断生物传感器,实现了许多重要生物标志物,例如葡萄糖、乳糖和黄嘌呤的即时、灵敏传感,信号输出时间仅为1 min。

图2. MHOFs纳米级联反应器的超高灵敏度、稳定性、可重复利用性及临床样品检测


该研究报道了第一次应用介孔HOFs作为酶固定化材料,实现了在多孔载体中进行复杂的化学转化,表现出高效的生物级联即时传感效率,在可控模拟复杂细胞转化网络中展现出巨大的潜力。


相关成果发表在化学综合期刊Angewandte Chemie International Edition 上。以上研究工作得到了国家自然科学基金(22174164, 22104159, 21904146)、广东省自然科学基金面上项目(2020A1515010825, 2019A1515011722)和高校基本业务费(2021qntd24)项目的资助。


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Biocatalytic Cascade in an Ultrastable Mesoporous Hydrogen-Bonded Organic Framework for Point-of-Care Biosensing

Guosheng Chen, Zhuopeng Tang, Xinyi Li, Linjing Tong, Huangsheng Yang, Jiayi Wu, Xiliu Zhang, Ting Song, Siming Huang, Fang Zhu, Gangfeng Ouyang

Angew. Chem. Int. Ed., 2021, DOI: 10.1002/anie.202110351


陈国胜 副教授


陈国胜, 中山大学副教授,硕士生导师。主要研究领域为新型功能材料的开发及面向生命健康应用,具体包括生物杂交框架材料的设计、酶传感装置的开发及疾病标志物新分析方法。成果连续发表在Chem(Cell姐妹刊)、Angew. Chem. Int. Ed.(5)、Adv. Funct. Mater. (2)、Chem. Sci.、Anal. Chem等国际著名期刊。已发表SCI检索论文48篇,主持国家自然科学基金面上项目和青年基金等国家级和省部级项目6项,获博士后创新人才支持计划。


欧阳钢锋 教授


中山大学化学学院教授,博士生导师,国家杰出青年科学基金获得者,英国皇家化学会会士,中组部国家“万人计划”入选者,科技部中青年科技创新领军人才,广东省“珠江学者”特聘教授,广东省“百千万工程”领军人才。现任中山大学化学工程与技术学院院长,测试中心主任,化学学院化学系主任,环境化学研究所所长,微萃取与分离技术研究中心主任。主要从事环境分析化学与微萃取技术研究工作,包括水分析技术、动植物活体检测技术以及医学检测技术等方面的研究。主持包括国家杰出青年科学基金、国家重大仪器专项、国家基金重点项目等在内的多个国家级、省部级项目。在Chem. Rev.、Chem、PNAS、Nat. Commun.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Chem. Sci.、Anal. Chem.、Environ. Sci. Technol.、Chem. Commun.等期刊发表SCI论文200余篇,他引6000余篇次,入选Elsevier中国高被引学者榜单,获得国家发明专利10项,主编中英文专著各1部,参编英文专著3部。 


https://www.x-mol.com/university/faculty/15340 


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