体外酶法催化是获得糖链的有效策略之一，但糖酶通常稳定性较差，在高温及长时间反应中易絮凝失活。固定化酶是增强酶催化工程属性的有效手段，其中，金属有机框架材料（metal‒organic framework，MOF）因其高孔隙率、高稳定性、高生物相容性的优点，是固定化酶的优良载体，能显著提升酶在酸碱、高温、有机溶剂等极端环境下的稳定性。
与通过共沉淀法把酶包埋在微孔MOF中相比，将酶负载于孔径较大的介孔MOF更有利于固定化酶在催化反应中传质效率的提升。但介孔MOF的合成条件苛刻，通常需要强酸和高温环境，不利于酶活性的保持，所以通过孔道负载法更为可靠。然而，大多数酶的尺寸都大于5 nm，但合成稳定介孔MOF（孔径≥ 2 nm）仍是一项重大挑战。因次，在MOF中创造缺陷是负载大尺寸酶的一种有效策略。
近期，南京大学袁帅教授和南京师范大学张幸教授合作，在一种稳定的介孔MOF（PCN-333）中通过后修饰引入动态配体来创造缺陷，从而拓展了PCN-333中孔笼介孔的窗口尺寸，实现了一系列尺寸大于5 nm的糖酶的高效负载与催化。
作者通过将PCN-333中稳定的三嗪配体与不稳定的硼醚配体进行部分交换，合成了具有动态硼醚键的PCN-333-TBTB。在吸附酶的过程中，硼氧键的解离平衡产生了动态缺陷，从而扩大了PCN-333-TBTB的窗口和空腔尺寸。因此，这种方法不仅加快了小尺寸酶（Cyt C和HRP）的吸附动力学，还能提高各种大尺寸糖酶的吸附量。
此外，PCN-333-TBTB在较大尺寸底物的酶催化反应中也体现出了优势。在固定化肝素合酶（Pasteurella multocida heparosan synthase 2，PmHS2）催化二糖转化为三糖的反应中，与微孔的ZIF-90相比，PmHS2@PCN-333-TBTB的催化效率和转化率更高。
同时，该策略具有良好的通用性，作者利用PCN-333-TBTB实现了8种大尺寸糖酶（蔗糖合酶、尿苷二磷酸葡萄糖脱氢酶、N-乙酰氨基己糖激酶、葡糖胺-1-磷酸尿苷酰转移酶、肝素合酶、软骨素合酶、唾液酸转移酶、β1, 3-N-乙酰葡萄糖胺转移酶）的高效负载，搭建了3套多酶共固定化级联催化体系，成功合成了5种糖胺聚糖寡糖和2种母乳寡糖，催化转化率均高于99%。作者还构建了五种酶共固定化的体系，实现了从单糖一锅法合成糖胺聚糖多糖，显示了PCN-333-TBTB载体在大尺寸底物的催化反应中优势。这些结果表明，PCN-333-TBTB 平台具有多功能性、生物兼容性和高效性，可用于各种不稳定的大尺寸酶。
综上，该策略通过引入硼醚配体显著增加了MOF中的动态缺陷，从而加快了酶的吸附速度，提高了酶的负载量及其催化速度和转化率，且可固定化的酶尺寸超过了MOF的固有孔径。这一策略将拓宽MOF材料在酶和酶反应中的应用范围，为酶固定化技术的新发展提供思路。
论文信息
Unlocking of Hidden Mesopores for Enzyme Encapsulation by Dynamic Linkers in Stable Metal-Organic Frameworks
Meng Qiao, Youcong Li, Yanqi Li, Mengting Chang, Xing Zhang, Shuai Yuan
该文第一作者为南京师范大学的博士生乔梦和南京大学的博士生李幼聪
Angewandte Chemie International Edition
DOI: 10.1002/anie.202409951
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