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在MOFs固定酶及其應用于生物傳感的研究

化學學院歐陽鋼鋒教授團隊揭示封裝模式是如何影響酶@MOFs的生物功能，并提供一種新的策略可制備具有高生物活性的酶@MOFs材料。研究人員以6種工業用途廣泛的酶為模型（括葡萄糖氧化酶(GOx)、細胞色素C (Cyt C)、辣根過氧化物酶(HRP)、過氧化氫酶(CAT)、尿酸氧化酶(UOx)和乙醇脫氫酶(ADH)），研究了它們原位封裝于ZIF-8空腔后的活性轉化。研究結果發現部分酶可保持較高的生物活性，但另一部分酶活性則嚴重下降甚至完全失活。接著，研究人員通用過系統的表征手段發現酶的活性轉化與其封裝模式密切相關：1）在基于酶誘導ZIF-8成核驅動的快速封裝模式中，得到的酶@ZIF-8保持較高的生物活性；2）在ZIF-8自然成核的共沉淀緩慢封裝模式中（此過程中酶不參與ZIF-8成核），由于過量配體（2-甲基咪唑）的去折疊效應和競爭配位，得到的酶@ZIF-8趨向于失活（圖1A）。有趣的是，這兩種封裝模式與酶的表面電荷性質有關。研究人員通過酶表面氨基酸殘基的化學修飾調節酶的表面電荷，可實現酶@ZIF-8封裝方式的有效調控，進而改善酶@MOFs的生物活性。接著，研究人員探討了改善后的酶@MOFs（Cyt C-A@ZIF-8和HRP-A@ZIF-8）在生物傳感領域的應用。我們首先可以利用Cyt C-A@ZIF-8和HRP-A@ZIF-8對H2O2進行可視化傳感。谷胱甘肽(GSH)是一種生物硫醇，與糖尿病、肝病、白內障、阿爾茨海默病和帕金森病等多種病癥相關。H2O2可氧化GSH進而影響酶@MOFs的H2O2傳感性能(圖1B)。鑒于這一原理，我們建立了一種GSH的可視化酶@MOFs傳感平臺，并具有較高的檢測靈敏度和較寬的線性范圍（圖1C）。與單酶催化相比，多酶催化級聯反應是生物體內一類重要的化學轉化過程，在生物信號轉導和代謝途徑中起著關鍵作用。研究人員將多種酶（GOx和HRP）共封裝于MOFs（簡稱ECMN，圖1D），模擬細胞內級聯催化過程；同時，可以通過調控酶的封裝模式，提高ECMN的級聯催化性能（圖1E），并實現葡萄糖的高靈敏、可視化檢測? 此外，研究團隊從封裝策略及應用兩方面總結了酶@MOFs的最新研究進展：重點介紹了MOFs孔徑結構和酶生物界面與金屬離子的相互作用對酶封裝效率的影響及影響酶活性轉化的關鍵因素；并展示了酶@MOFs在生物傳感、催化和納米催化治療等領域的前沿應用。

中山大學 2021-04-13

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