南开大学陈瑶课题组：晶态高稳定载体原位负载酶的创新突破

近年来，低能耗、高效率和可持续的绿色生物制造模式成为生物化工行业发展的主要趋势。酶作为绿色生物制造的“核心芯片”，是具有高活性和选择性的天然催化剂。然而，稳定性和重复利用性差等问题极大限制了酶的应用。将酶固定于多孔载体是解决上述问题的有效方案。共价有机框架材料（COFs）是一类新兴的晶态多孔有机聚合物，具有高度有序可调节的孔道结构以及优异的稳定性，在固定化酶方面具有巨大的应用潜力。南开大学陈瑶研究员团队一直专注于固定化酶研究，曾首次实现COFs共价固定化酶,并用于手性药物/氨基酸分离（Angew. Chem. Int. Ed. 2018, 57, 16754）；首创牺牲模板法将酶固定于COFs胶囊，制备了高效酶催化剂（J. Am. Chem. Soc. 2020, 142, 6675；Particuology, 2022, 64, 140）；此外通过吸附策略，实现了多种酶（FDH、WGL等）的高效固定化（Chem. Eng. J. 2022, 444, 136624；Angew. Chem. Int. Ed. 2022, 61, e202200261；ACS Catal. 2022, 12, 8259）。然而，已报道的固定化酶策略仍然具有局限性，通常需要分步进行，先进行COFs材料的设计合成，进而进行酶的固定化，该过程容易造成酶活性的降低或载体结晶性/和多孔性的损失，从而影响固定化酶的性能。

图1. COF原位封装负载酶示意图。

近日，南开大学陈瑶研究员（点击查看介绍）团队报道了一种温和条件下（室温、水相、快速）COFs原位固定化酶的普适性方法，制备获得高性能的Enzyme@COFs催化剂（不仅具有高催化活性，还具有优异的稳定性和重复利用性）。该新型酶固定化策略适用于多种类型（如亚胺、腙键、吖嗪、β-酮烯胺连接）的COFs以及多种天然酶（如脂肪酶、葡萄糖氧化酶、细胞色素c和牛血清蛋白），其显著优势在于：反应可以在室温、水溶液体系中快速完成（30分钟内），并便于工艺放大（2.3克/次）。所制备的生物催化剂表现出优异的手性拆分活性，对苯乙醇等多种手性外消旋底物的转化率可达49%以上（理论转化率50%），ee值大于99%，超过了介孔硅、活性炭、MOFs等其它固定化酶体系；经过10次循环，活性仍可保持80%以上。此外，还对乙酰水杨酸甲酯（AME）等多种底物表现出优异的酯水解活性和重复利用性。该研究打破了传统固定化酶方法的限制，同时为复合生物催化剂的绿色规模化制备开辟了新道路。

图2. Lipase@NKCOF-98的合成与表征。

图3. Lipase@NKCOF-98和Lipase@NKCOF-99稳定性和重复利用性评价。

图4. Lipase@NKCOF-98和Lipase@NKCOF-99手性拆分性能评价。

这一成果近期发表在Angew. Chem. Int. Ed.上，通讯作者是南开大学陈瑶研究员，第一作者是南开大学药学院博士研究生郑云龙。该工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目的支持。

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）：

Green and Scalable Fabrication of High-Performance Biocatalysts Using Covalent Organic Frameworks as Enzyme Carriers

Yunlong Zheng, Sainan Zhang, Jinbiao Guo, Ruixuan Shi, Jiangyue Yu, Kaipeng Li, Ning Li, Zhenjie Zhang, Yao Chen

Angew. Chem. Int. Ed., 2022, DOI: 10.1002/anie.202208744

导师介绍

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