酶在工业制造领域有着广泛应用潜力，但其对极端环境（如高温、强酸或有机溶剂）非常敏感，容易在非优化条件下发生结构损伤。金属有机框架（MOFs）作为酶固定化的载体，可显著提升酶的稳定性。其中，锆基MOFs具有卓越的热、机械和化学稳定性，是酶固定化载体的优秀候选材料。传统的锆基 MOFs合成方法通常需在苛刻的溶剂热条件下进行，如高温、有机溶剂及强酸性环境，极易造成酶的不可逆失活。因此，将酶直接封装在锆基 MOFs 中极具挑战性。
近日，上海科技大学物质科学与技术学院卓联洋教授与刘海铭研究员合作提出了一种温和的固态结晶转化策略，在室温、水相和适宜的pH条件下，实现了MOF-801（一种锆基MOFs）对酶的直接包覆（图1）。该方法通过水介导的动态配体交换，将无定形固体前驱体转化为结晶框架，整个过程无需外部加热或有机溶剂。利用该策略合成的Bio-MOF复合物不仅有效保留了酶活性并提升其稳定性，同时证明了其MOF-801外壳在酸性催化条件下比锌基MOFs更可靠。相关研究成果发表于国际学术期刊《德国应用化学》（Angewandte Chemie International Edition）。
图1. MOF-801直接酶封装过程示意图。
研究团队结合13C固态核磁和密度泛函理论计算，揭示了无定形固体到结晶MOFs的固态结晶转化涉及酸催化配位取代的机制，包含了调节剂甲酸的逐步脱离和富马酸的配位取代两个过程。此外还使用该方法成功合成了UiO-66系列锆基MOF，证实了合成策略的普适性。活性测试表明固态结晶转化策略合成的样品有效保留了酶活性，蛋白质水解实验进一步说明MOFs外壳对内部封装的蛋白质的保护作用（图2）。酶催化的葡萄糖分解反应循环对照实验揭示了耐酸性锆基 MOF-801 载体相较于锌基 ZIF-8 的稳定性优势，对不同蛋白质的成功封装体现了该策略包覆的普适性。
图2.样品的活性和稳定性测试以及MOF包覆蛋白质机理探究。
本项工作创新性地开发了一种温和条件下的锆基MOFs合成新策略，实现了生物大分子酶在锆基MOFs中的一锅法封装，为Bio-MOF复合材料的未来发展奠定了基础，在生物技术及相关领域具有广阔的应用前景。
物质学院硕士毕业生王欣悦和博士研究生徐辉为论文共同第一作者；物质学院卓联洋教授、刘海铭研究员，台湾中央大学谢发坤教授、蔡惠旭教授为共同通讯作者。上海科技大学为第一完成单位。
论文标题：A Solid-State Crystallization Strategy for Direct Enzyme Encapsulation in Zr-MOFs: Eliminating Harsh pH and Thermal Requirements of Liquid-Phase Synthesis
沪公网安备 31011502006855号