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（Chem, 2021, 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