南京师范大学张幸丨南京大学袁帅 Angew 动态配体解锁MOF介孔实现大尺寸糖酶的封装

文摘   2024-11-02 22:18   浙江  

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摘要
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 frameworks,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。

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研究内容

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
Angewandte Chemie International Edition DOI: 10.1002/anie.202409951
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致谢

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