金屬有機(jī)骨架材料固定生物大分子的研究進(jìn)展

谷 娜，李 恒，趙 遠(yuǎn)

(河北科技大學(xué)理學(xué)院，河北 石家莊 050018)

金屬有機(jī)骨架材料固定生物大分子的研究進(jìn)展

谷 娜，李 恒，趙 遠(yuǎn)

(河北科技大學(xué)理學(xué)院，河北 石家莊 050018)

金屬有機(jī)骨架(MOFs)具有超高的比表面積、可調(diào)的孔徑、多樣的結(jié)構(gòu)組成、開放的金屬位點(diǎn)和化學(xué)可修飾等性能。近年來，MOFs材料作為穩(wěn)定的、高效的、可重復(fù)使用的和廉價(jià)的生物大分子固定化載體越來越引起人們的研究興趣。生物大分子-MOFs體系在改進(jìn)生物催化劑的效率及可回收性、分子傳感、藥物輸送和基因治療等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。討論了生物大分子在MOFs載體材料上固定的方法和方式，生物大分子可以通過物理吸附或共價(jià)鍵作用固定在MOFs表面，或通過與配位基團(tuán)發(fā)生親水或疏水作用擴(kuò)散進(jìn)入MOFs孔道，或通過共價(jià)鍵或配位鍵包埋在其晶體結(jié)構(gòu)中，介紹了相關(guān)研究進(jìn)展及應(yīng)用。設(shè)計(jì)具有大孔徑的高介孔MOFs材料、設(shè)計(jì)不同的功能化MOFs材料及以環(huán)境友好的方式合成所需的生物大分子-MOFs體系等，可進(jìn)一步擴(kuò)大MOFs材料在生物大分子固定領(lǐng)域的應(yīng)用范圍。

金屬有機(jī)骨架(MOFs)；蛋白質(zhì)；酶；核酸；生物大分子；固定化

1 前 言

金屬有機(jī)骨架 (Metal-Organic Framework, MOFs) 材料又稱作多孔配體聚合物(Porous Coordination Polymers, PCPs)，是一類由無機(jī)金屬離子或金屬簇與可調(diào)控的聚合有機(jī)配體共同構(gòu)筑的多孔雜化無機(jī)-有機(jī)晶體材料[1-2]。1995年美國化學(xué)家Yaghi等[3]報(bào)道了使用過渡金屬鈷離子(Co2+)和有機(jī)配體均苯三甲酸(H3BTC)反應(yīng)獲得了具有二維結(jié)構(gòu)的CoC6H3(COOH1/3)3(NC5H5)2.2/3NC5H5MOF化合物。在MOFs分子中通過配位鍵可以組裝成多功能的三維拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)， 并且可以根據(jù)特定的需要調(diào)整MOFs材料的形態(tài)和功能[4]。MOFs材料具有孔隙率高、孔徑可調(diào)、比表面積大、金屬含量可調(diào)、晶體結(jié)構(gòu)可調(diào)和有機(jī)配體多樣的特點(diǎn)[5]，適用于各種應(yīng)用情況。在MOFs發(fā)展早期，基于其規(guī)則的多孔結(jié)構(gòu)，MOFs主要應(yīng)用于氣體存儲(chǔ)[6]和流體分離[7]。隨著對(duì)MOFs材料的深入研究，MOFs的應(yīng)用已經(jīng)擴(kuò)展到儲(chǔ)能、傳感器、磁性和電子器件、非均相催化和生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。MOFs大的比表面積、良好的孔隙率、多變的結(jié)構(gòu)和豐富的可調(diào)節(jié)的官能團(tuán)，使得客體分子很容易擴(kuò)散到其有序的框架結(jié)構(gòu)中，從而促進(jìn)主體和客體化合物的相互作用[8]，MOFs作為對(duì)客體敏感的生物分子的固定化基質(zhì)越來越引起人們的研究興趣[9]。不同的生物分子如DNA、酶和其他蛋白質(zhì)已被固定在MOFs材料中并且得到了廣泛的應(yīng)用。本文主要對(duì)采用MOFs固定生物大分子的應(yīng)用進(jìn)展進(jìn)行綜述。

2金屬有機(jī)骨架材料

MOFs是多孔的結(jié)晶有機(jī)-無機(jī)雜化材料，由金屬離子和有機(jī)物配體兩部分組成。許多種類金屬離子已被開發(fā)利用，主要包括過渡金屬、p區(qū)元素、堿土金屬和錒系元素[10]。金屬的配位數(shù)決定了可能形成的分子幾何構(gòu)型，如線性、T / Y形、平面方型、平面錐型、八面體、三角雙錐、三角棱柱和五邊形雙錐[11]，如圖1所示。使用不同大小和結(jié)構(gòu)的多齒有機(jī)配體，能夠控制合成的框架的結(jié)構(gòu)和性能[12]。最常用的有機(jī)配體包括羧酸、胺 、硝酸鹽、磷酸鹽和磺酸鹽，其中，陰離子羧酸鹽與金屬離子有更高的結(jié)合性。

圖1 重要代表性MOFs[11]Fig.1 Schematic representation of important reported MOFs[11]

大多數(shù)MOFs都是通過液相法合成的，混合金屬鹽和配體溶液或者將溶劑加入到固態(tài)金屬鹽和配體中。合成MOFs的方法有緩慢蒸發(fā)法/直接沉淀法、溶劑熱法、微波輔助法、電化學(xué)法、機(jī)械化學(xué)法和超聲波方法。緩慢蒸發(fā)法是合成MOFs傳統(tǒng)的路線，大多數(shù)反應(yīng)不需要任何外部能量[10]，一般在室溫即可進(jìn)行，但這種方法的主要缺點(diǎn)是所需時(shí)間較長[13]。溶劑熱法也是一種廣泛使用的合成MOFs的方法。微波輔助法是一種快速合成MOFs的方法，大大降低了合成時(shí)間[14]。電化學(xué)法，不需要金屬鹽，利用有機(jī)配體和電極的混合物中陽極的溶解產(chǎn)生金屬離子，可以連續(xù)合成MOFs晶體[15]。機(jī)械法在機(jī)械力作用下使用少量溶劑即可快速合成MOFs，調(diào)節(jié)溶劑的加入量可以獲得不同結(jié)構(gòu)的配位物[16]。超聲波產(chǎn)生的空化作用會(huì)導(dǎo)致溫度或壓力條件突然上升或下降，形成熱點(diǎn)促進(jìn)MOFs 快速均勻晶化[17]。此外，還可以通過自組裝(或逐層組裝)的路線來合成MOFs 材料，更好地控制和構(gòu)建MOFs的形貌[18]。

MOFs材料所擁有天然的結(jié)構(gòu)、電學(xué)、光學(xué)、催化及磁性等性能，且易于功能化，分子中存在可調(diào)節(jié)的親水或疏水基團(tuán)，可與生物分子之間存在強(qiáng)烈的相互作用，使其成為有用的生物分子固定載體，在傳感、工業(yè)催化和生物醫(yī)學(xué)等方面得以應(yīng)用。

3 MOFs固定蛋白質(zhì)

固體載體和蛋白質(zhì)之間可以通過不同類型的化學(xué)鍵連接，這種相互作用分為5類：物理吸附、共價(jià)鍵結(jié)合、交聯(lián)、基體包埋和微膠囊化[19]。相互作用的形式取決于被固定化的蛋白質(zhì)的性質(zhì)、固體載體的性質(zhì)及所需的應(yīng)用領(lǐng)域[20]。酶是一種具有催化活性的蛋白質(zhì)，MOFs固定蛋白質(zhì)的研究大多集中在MOFs作為酶分子固定化載體的研究，其在生物催化領(lǐng)域有重要應(yīng)用。

大多數(shù)MOF-酶體系主要是通過3種不同的方法來構(gòu)建：表面固定、孔隙擴(kuò)散和在MOF自身合成過程中進(jìn)行原位包埋等。

3.1 表面固定化

具有較大比表面積的MOFs材料經(jīng)表面修飾后很容易負(fù)載大量的酶。MOF表面功能化可以促進(jìn)酶和MOF之間形成穩(wěn)定的化學(xué)鍵。酶在MOF表面固定化可以采用兩種方式進(jìn)行[21]。一是通過表面修飾來活化或預(yù)先合成用于有機(jī)連接的官能團(tuán)，酶可以在隨后的化學(xué)反應(yīng)過程中與功能化的MOF以共價(jià)形式連接(圖2a)。另外，酶分子可以先與其它一些可以進(jìn)入MOFs材料孔道內(nèi)的小分子(例如染料)共軛結(jié)合，小分子染料進(jìn)入MOFs的微孔，酶分子仍然在MOFs材料的表面(圖2b)。MOF中的有機(jī)配體和小分子染料可以通過氫鍵或π-π鍵相互作用結(jié)合，有助于形成穩(wěn)定的主-客體絡(luò)合作用。

圖2 酶表面固定化形式：(a)共價(jià)鍵結(jié)合；(b)染料標(biāo)記的表面固定酶[21]Fig.2 Covalent attachment (a) and dye tagging (b) based surface anchoring of enzyme on the surface of MOF[21]

Jung和Park等[22]分別采用EDC活化In-基1D MOF、DCC活化2D([Zn(bpydc)(H2O)(H2O)]n;bpydc=2,2-bipyridine 5,5-dicarboxylate)MOF和3D(IRMOF-3)MOFs暴露在外面的羧基?；罨腗OFs可與綠色熒光蛋白(EGFP)分子的氨基以共價(jià)鍵結(jié)合或通過酯化和酯交換反應(yīng)將南極假絲酵母脂肪酶B(CAL-B)固定在MOF上。一維、二維和三維MOF負(fù)載EGFP能力分別為0.048，0.052和0.064 mg/g ，而負(fù)載CAL-B的能力分別為0.12，0.17和0.18 mg/g。與游離酶相比，固定化CAL-B酶活性增加了3倍并且可以循環(huán)利用。其中，CAL-B-IRMOF-3MOF復(fù)合物與游離酶相比顯示出更好的催化活性，同時(shí)提高了IRMOF-3MOF的防水性，并且保持了其多孔性能。

Shih等[23]同樣采用DCC交聯(lián)劑活化法將胰蛋白酶(trypsin)固定在MIL-101(Cr)、MIL-88B(Cr)和MIL-88B-NH2上。在trypsin-MOF復(fù)合物中，胰蛋白酶中的氨基通過親核反應(yīng)與活化的羧基之間形成肽鍵。MOF中的胺基基團(tuán)和DCC耦聯(lián)劑的使用促進(jìn)形成MOF-酶復(fù)合物。胰蛋白酶的分子大小大于MOF的孔徑阻礙了胰蛋白酶向MOF孔道的擴(kuò)散，因此保持了MOF的吸附能力。胰蛋白酶-MIL-88B-NH2復(fù)合物的催化活性在4個(gè)循環(huán)使用周期內(nèi)比游離胰蛋白酶催化活性高69%。Trypsin-MIL-88B復(fù)合物可以通過離心法從生物成品回收，更利于產(chǎn)品的回收。然而，Shih等發(fā)現(xiàn)50%的乙腈水溶液洗滌液可能會(huì)使MOF-酶復(fù)合物中的羧基失活，導(dǎo)致酶從MOF表面流失而與載體分離。

Yu[24]及其合作者通過層層組裝的方法在羧基功能化的Fe3O4納米棒外包裹具有分級(jí)孔結(jié)構(gòu)的3DMOF-100(Fe)，制備了磁性Fe3O4@MIL-100(Fe)復(fù)合微球。 將Fe3O4@MIL-100(Fe)采用EDC/NHS或Zn2+活化后與Candida rugosa脂肪酶分子中的氨基以共價(jià)鍵或配位鍵相連，將酶固定在Fe3O4@MIL-100(Fe)上，固定酶后，明顯改善了酶的循環(huán)使用性和穩(wěn)定性，保持了酶的活性。

Qin和Liu等[25]在含有氨基的MOF(MIL-101(Al)-NH2)材料上，通過浸漬法吸附氯化高鐵血紅素蛋白，獲得酶-MOF復(fù)合物。該酶-MOF復(fù)合物可以作為葡萄糖傳感器使用，其上固定的氯化血紅素蛋白質(zhì)中的過氧化物酶可以用于比色法檢測(cè)葡萄糖。

Ma等[26]報(bào)道了通過在ZIF-7、ZIF-8、ZIF-67、ZIF-68和ZIF-70上通過吸附法固定電催化劑甲基綠(MG)和葡萄糖脫氫酶(GDH)。由于疏水性作用、供-受體鍵和氫鍵的綜合影響，ZIF-70表面吸附能力最強(qiáng)。在玻璃碳電極上通過滴落涂布MG-ZIF-70復(fù)合物，然后在MG-ZIF-70復(fù)合物上涂覆GDH制成葡萄糖生物傳感器，其選擇性檢測(cè)葡萄糖的線性檢測(cè)范圍為0.1～2 mM。

Liu和Lin等[27]采用微波輔助方法先制備了攜帶異硫氰酸熒光素(FITC)的熒光素-胰蛋白酶共軛物，該共軛物中的FITC分子(分子大小0.9 nm×1.2 nm×1.4 nm)在渦旋離心作用力下，可以通過包埋方式進(jìn)入鋁基微孔MOF [Al(OH)(SDC)](CYCU-4)材料孔道內(nèi)，從而獲得MOF-酶復(fù)合體系，胰蛋白酶的負(fù)載量達(dá)到55.2 μg/mg。該生物催化體系具有良好的催化活性，蛋白水解效率達(dá)到47%，比游離的FITC-胰蛋白酶的消化效率43%高，并且水解時(shí)間由幾個(gè)小時(shí)縮短至幾分鐘，該體系可重復(fù)使用至少5個(gè)周期。

Liu和Huang等[28]以小分子熒光染料4-氯-7-硝基苯并-2-氧雜-1,3-二唑(NBD)與胰蛋白酶結(jié)合得到胰蛋白酶-NBD，NBD與MOFs (MIL-101、DUT-4(Al)和UIO-66)之間有多個(gè)結(jié)合位點(diǎn)，因此對(duì)酶的負(fù)載能力增加。 其中，UIO-66負(fù)載胰蛋白酶-NBD的量達(dá)到80 μg/mg。

3.2 MOFs孔道的擴(kuò)散

MOFs材料具有多孔結(jié)構(gòu)，分子可以直接擴(kuò)散到其孔道內(nèi)，但是，由于大部分MOFs孔徑小于2 nm，只有小于這個(gè)尺寸的化合物才可以擴(kuò)散到其孔道內(nèi)(圖3)。

圖3 蛋白質(zhì)向 MOF孔道的擴(kuò)散示意圖[21]Fig.3 Schematic diagram of protein diffusion into the pores of MOF[21]

2006年，Pisklak等[29]將過氧化物酶(MP-11) 固定到多孔的納米晶體Cu-MOF上。該Cu-MOF晶格中銅離子通過與4,4’-二苯基二羧酸連接形成銅二聚體，然后通過金屬橋接配體形成平均孔徑是1.78 nm的孔道。MP-11的大小為1.75 nm×3.3 nm，大于MOF孔道的大小，通過連續(xù)攪拌MOF-酶溶液，導(dǎo)致部分蛋白質(zhì)鏈伸展，獲得特定的取向，促進(jìn)了MP-11向MOF孔道的擴(kuò)散，負(fù)載量可以達(dá)到30 μmol/g。MP-11進(jìn)入孔道后，在連續(xù)攪拌長達(dá)72 h的條件下，酶并沒有表現(xiàn)出任何浸出現(xiàn)象。這可能是由于進(jìn)入MOF框架內(nèi)的酶不容易進(jìn)行足夠的展開，因此限制了其浸出。

Lykourinou等[30]在介孔TB-TATB MOF(孔徑3.9 nm×4.7 nm)上固定MP-11。通過MOF顏色的變化及單晶體的吸收光譜證實(shí)了在室溫條件下通過簡單擴(kuò)散的方式MP-11可以進(jìn)入MOF孔道內(nèi)，負(fù)載量達(dá)到19.1 μmol/g。與酶在二氧化硅上固定相比，這種MOF-酶載體具有更好的生物催化活性。由于酶進(jìn)入MOF的孔道內(nèi)，并且通過疏水作用與TB-TATB MOF相互作用，因此循環(huán)使用性較好，7次循環(huán)使用后，保留了約47%的催化活性。Lykourinou研究組[31]還研究了肌紅蛋白(Mb)在Tb-TATB MOF孔道中的擴(kuò)散，最大負(fù)載量可達(dá)到9.1 μmol/g。采用兩種不同底物2,2-聯(lián)氮-二(3-乙基苯并噻唑-6-磺酸)二銨鹽(ABTS)和1,2,3 -三羥基苯(THB)，研究了MOF的尺寸選擇性。相對(duì)于MOF的孔徑來說，ABTS是一種大分子，THB是小的分子，由于大分子底物不能到達(dá)Tb-meso MOF內(nèi)部的Mb-活性位點(diǎn)，因此包埋在內(nèi)部的酶對(duì)ABTS沒有顯示出過氧化氫酶的活性。與此相反，THB能夠擴(kuò)散到孔內(nèi)，接近包埋的肌紅蛋白酶，因此Mb-TB-TATB復(fù)合物對(duì)THB顯示出催化活性。由于擴(kuò)散緩慢，Mb@ TB-TATB催化活性僅為自由酶的一半，但這個(gè)生物催化體系可以循環(huán)使用15次。

Chen和Lykourinou等[32]還報(bào)道了亞鐵血紅蛋白Cyt c酶向納米Tb-meso MOF孔道的擴(kuò)散過程。如圖4所示，盡管MOF的孔徑小于Cyt c，蛋白質(zhì)在MOF表面的物理吸附導(dǎo)致其部分展開從而發(fā)生構(gòu)象的變化，使其最終遷移到MOF內(nèi)部的孔隙。

圖4 Cyt c酶在Tb-meso MOF孔道中的擴(kuò)散機(jī)制示意圖[32]Fig.4 Mechanism for the diffusion of Cyt c into the pores of Tb-meso MOF[32]

Rambabu等[33]將Cyt c酶擴(kuò)散到基于2,6萘-二羧酸的Mn-MOF孔道內(nèi)。該酶-MOF體系可用于檢測(cè)導(dǎo)致水硬度的無機(jī)污染物硫酸根離子。

Deng 等[34]在合成MOF過程中使用多個(gè)含有苯環(huán)的有機(jī)配體，通過調(diào)節(jié)有機(jī)配體的數(shù)量，獲得大孔徑MOFs-74材料，最大孔徑達(dá)到9.8 nm。 MOFs-74極高的孔隙率使得大分子蛋白質(zhì)如Mb和綠色熒光蛋白(GFP)等可以在其中擴(kuò)散。

Li和Farha[35]等將角質(zhì)酶固定在具有分級(jí)孔結(jié)構(gòu)的Zr基NU-1000，NU-1000具有直徑為3.1 nm的六角形孔道和邊緣長度為1.5 nm的三角型孔道，因此軸長為3.0 nm橢圓形的角質(zhì)酶可以進(jìn)入其孔道。固定化的酶可以用來水解p-硝基苯基丁酸鹽 (PNPB)，與自由酶活性相當(dāng)，因?yàn)榉磻?yīng)物和產(chǎn)物可以通過孔道擴(kuò)散而與固定化的酶接觸。

田運(yùn)齊等[36]使用物理吸附的方法以大小為40～60 nm的HKUST-1納米粒子組成的PD-meso MOF-3多級(jí)孔材料為載體對(duì)辣根過氧化物酶(HRP)進(jìn)行了固定化。HPR分子尺寸大約為7.0 nm×4.4 nm×6.8 nm，可以進(jìn)入HKUST-1納米粒子構(gòu)筑的PD-meso MOF-3的孔隙內(nèi)，最大吸附量達(dá)到28.1 mg/g。在同樣反應(yīng)條件下，HPR固定化酶和原酶相比，催化過氧化氫和鄰苯二胺生成2,3-二氨基酚嗪活性相當(dāng)，且酶穩(wěn)定性增強(qiáng)。

Huo等[37]先在油/水界面形成UIO-66/Fe3O4納米復(fù)合物，而后采用瓊脂凝膠法以磁性顆粒作為模板在UIO周圍沉積ZIF-8層形成穩(wěn)定的介孔微囊，可以封裝CAL-B脂肪酶。

3.3 在MOF中酶的原位封裝

大多數(shù)的MOFs孔隙直徑小于酶的大小，因此需要另外一種MOF-酶體系擴(kuò)大其應(yīng)用范圍。最近，研究者通過原位封裝的方法在MOFs材料的框架內(nèi)進(jìn)行酶的包埋[31]，如圖5所示。采用這個(gè)方法的關(guān)鍵是在室溫條件下合成MOF，以便在完成該過程后可以保持酶的活性和穩(wěn)定性。

圖5 酶在 MOF中進(jìn)行原位封裝[31]Fig.5 Schematic diagram of in-situ enzyme encapsulation within MOF[31]

Lyu等人[38]首先研究了這種方法。他們選擇了一個(gè)化學(xué)和熱穩(wěn)定性好的MOF“ZIF-8”作為載體，并進(jìn)一步提出了基于MOF-酶雜化體的自聚配位鍵。室溫下在甲醇介質(zhì)中慢速攪拌硝酸鋅、2-甲基咪唑、Cytc(酶)和聚乙烯吡咯烷酮(PVP)混合物24 h獲得 ZIF-8。PVP可以防止有機(jī)溶劑中的蛋白質(zhì)聚集。獲得的Cyt c@ZIF-8為菱形十二面體晶體，如圖6所示。獲得的Cyt c@ZIF-8和底物的結(jié)合力增加，由于酶上金屬離子的激活作用，體系的催化活性比游離酶增加了10倍，這種生物催化載體被用于爆炸物的快速靈敏光學(xué)檢測(cè)。使用上述方法還合成了HRP@ZIF-8、Cyt c@ZIF-10和 lipase@ZIF-8等酶-MOF復(fù)合物。

圖6 Cyt c@ZIF-8的TEM 照片[38]Fig.6 TEM image of Cyt c@ZIF-8 crystal [38]

Shieh等人[39]室溫下在水相中混合硝酸鋅、咪唑、過氧化氫酶(CAT)和封端劑ICA 10 min ，實(shí)現(xiàn)在2 μm的ZIF-90單晶框架內(nèi)固定CAT。固定化酶的催化活性低于天然形式，然而MOF的遮蔽效應(yīng)可以提高酶的穩(wěn)定性，從而有助于降低成本。

Liang等[40]研究了MOF晶體在酶上的生長機(jī)制。采用核磁共振光譜、原位同步小角X射線散射和ICP研究了在MOFs材料內(nèi)不同蛋白質(zhì)的仿生礦化過程。卵清蛋白(OV)、溶菌酶、HRP、血紅蛋白、胰蛋白酶、脂肪酶、胰島素、脲酶、核糖核酸酶、人血清白蛋白(HSA)和DNA都可以在MOFs材料(例如ZIF-8、HKUST-1、Eu-BDC、Tb-BDC和MIL-88A)的中心被礦化。這種生物礦化過程在保持酶的活性和穩(wěn)定性的同時(shí)，有助于控制晶體生長。還可通過改變pH條件控制蛋白質(zhì)的釋放，在藥物輸送方面有潛在的應(yīng)用。

Wu等[41]在25 °C水相溶液中直接混合葡萄糖氧化酶(GOx)、辣根過氧化物酶(HRP)、鋅鹽和2-甲基咪唑進(jìn)行反應(yīng)，在ZIF-8內(nèi)同時(shí)進(jìn)行GOx和HRP的原位包埋固定化，如圖7所示。GOx/HRP/ZIF-8復(fù)合物可用于高效、靈敏、穩(wěn)定地檢測(cè)葡萄糖。酶包埋后MOF晶體結(jié)構(gòu)完整，如圖8 a和圖8 b所示。HRP和GOx分別用熒光探針異硫氰酸羅丹明B(RhB，紅光)和異硫氰酸熒光素(FITC，綠光)標(biāo)記，圖8 c的激光掃描共聚焦顯微鏡照片說明了酶在金屬有機(jī)骨架內(nèi)的位置。

圖7 GOx/ HRP / ZIF-8復(fù)合物形成過程[41]Fig.7 Schematic diagram of GOx and HRP in-situ encapsulation within ZIF-8[41]

圖8 ZIF-8晶體的TEM照片(a)，GOx/HRP/ZIF-8復(fù)合物的TEM照片(b)，復(fù)合物的激光掃描共聚焦顯微鏡照片(c) [41]Fig.8 TEM image of ZIF-8 crystal (a), TEM image of GOx/HRP/ZIF-8 composite (b), Confocal microscopic image of composite legend(c) [41]

Wu等[42]利用聚多巴胺(PDA)作為生物粘合劑，通過共價(jià)鍵或非共價(jià)鍵作用來束縛葡萄糖氧化酶-ZIF-8復(fù)合物，使其大小可以達(dá)到微米級(jí)。室溫下，在PDA溶液中培養(yǎng)葡萄糖氧化酶/ZIF-8粉末24 h可以發(fā)生聚合反應(yīng)，形成交聯(lián)復(fù)合物。與游離形式葡萄糖氧化酶的相比，葡萄糖氧化酶/ZIF-8/PDA系統(tǒng)只表現(xiàn)出50%的催化活性。然而，固定形式的酶的活性可以保持更長的時(shí)間。上述體系在甲醇、乙醇和丙酮溶劑中，還表現(xiàn)出更好的穩(wěn)定性，在10000 rpm的轉(zhuǎn)速下離心可以回收利用復(fù)合材料。

Nadar等[43]以2-甲基咪唑、葡萄糖淀粉酶和醋酸鋅為原料，采用自組裝的一步法在室溫合成了葡萄糖淀粉酶-ZIF-8復(fù)合物。包埋在ZIF-8內(nèi)部的葡萄糖淀粉酶比自由酶的活性提高6倍，并且穩(wěn)定性提高，6次循環(huán)使用時(shí)，活性還可達(dá)到57%，存儲(chǔ)25 d活性仍為原來的91%。包埋在ZIF-8內(nèi)部的酶二級(jí)結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，改進(jìn)了催化活性。

表面固定法將酶通過物理吸附或共價(jià)連接附著在MOF表面，因其對(duì)酶的大小沒有限制是最吸引人的方法?；钚晕稽c(diǎn)暴露在載體外可以增強(qiáng)酶的催化活性，降低蛋白質(zhì)催化時(shí)間，從而減少酶的隨機(jī)性，并使活性位點(diǎn)更容易到達(dá)底物[27]。使用簡單的步驟將酶通過物理吸附固定在MOFs材料上，然而，如果酶與MOF載體的結(jié)合鍵相對(duì)較弱，這種酶很可能被洗掉。共價(jià)連接是解決這個(gè)問題的很好的選擇，可以通過化學(xué)修飾的載體或通過小分子染料標(biāo)記酶來增強(qiáng)結(jié)合鍵。

酶向MOFs孔道內(nèi)擴(kuò)散法中，酶包埋在MOFs材料孔道內(nèi)，同時(shí)和MOF的配位基團(tuán)發(fā)生親水性或疏水性相互作用，有助于提高催化劑的穩(wěn)定性[44]，增加了材料的可重復(fù)使用性。但是因?yàn)榇蠖鄶?shù)MOFs的孔道尺寸小于一些重要的酶，所以這種方法的使用范圍有限，開發(fā)合成大孔徑MOFs材料是應(yīng)用這種方法的關(guān)鍵。

酶在骨架內(nèi)的原位包埋可以通過共價(jià)鍵或配位鍵來實(shí)現(xiàn)。由于酶的完全包埋，這種固定化方法可以獲得最大限度的穩(wěn)定性，防止酶的浸出，可重復(fù)使用性較高，減少過程成本。另一個(gè)顯著的優(yōu)勢(shì)是，這種方法對(duì)固定化酶的大小沒有限制。那些尺寸大于MOF孔徑的酶也可以通過這種方法來合成MOF-酶復(fù)合物。然而，由于底物向MOF的微孔內(nèi)擴(kuò)散的速度較慢或者底物分子大小大于MOF的孔徑，使得底物不容易接觸包埋在孔道內(nèi)部的酶，因此，這種方法在某些情況下催化活性可能會(huì)比游離形式酶的低。能否采用這種方法取決于MOF和酶的結(jié)構(gòu)參數(shù)，同時(shí)也需要考慮MOF-酶復(fù)合物的應(yīng)用目標(biāo)。在MOF中進(jìn)行酶的原位封裝時(shí)，要求MOF必需在室溫條件下合成以便保持酶的結(jié)構(gòu)和活性[38]。

4 MOFs固定核酸

使用MOF納米載體還可以固定多聚核苷酸如DNA和RNA，可以保護(hù)其不被降解，便于其被細(xì)胞攝取。

Mirkin等[45]研究了基于新型UiO-66-N3(Zr6O4OH4(C8H3O4-N3)6)的核酸-MOF納米配合物，采用二苯基環(huán)辛炔修飾的多聚核苷酸與疊氮化UIO-66反應(yīng)，將DNA連接在納米MOF表面，如圖9所示。核酸-MOF納米配合物空間和靜電穩(wěn)定性增加，對(duì)人類宮頸癌細(xì)胞滲透性增強(qiáng)，可用于基因治療。

圖9 MOF-DNA配合物形成過程[45]Fig.9 Schematic diagram of MOF-DNA conjugate [45]

He等[46]通過和金屬位點(diǎn)配位的方式，將小干擾RNA負(fù)載在UiO型納米MOF(鋯-氨基三苯基二羧酸)表面，負(fù)載量30 μg/mL,可以保護(hù)SiRNA不被核酸酶降解，增加其被細(xì)胞攝取率。

5 結(jié) 語

MOFs材料可以作為穩(wěn)定的、高效的、可重復(fù)使用且廉價(jià)的生物大分子的固定化載體。以MOFs為基礎(chǔ)的生物大分子固定化系統(tǒng)已應(yīng)用到生物催化、分子傳感、治療和診斷等領(lǐng)域。但是， MOF-生物大分子固定化體系的實(shí)際應(yīng)用還處于初期階段，近一步擴(kuò)大MOFs材料的應(yīng)用范圍還有很多關(guān)鍵的問題需要解決，例如設(shè)計(jì)具有大孔徑的高介孔MOFs材料、設(shè)計(jì)不同的功能化MOFs材料及以研發(fā)環(huán)境友好的方式合成所需的生物分子-MOFs體系等，不斷提高M(jìn)OFs-生物大分子固定化體系的商業(yè)化接受度。

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Recent Advances in Biomacromolecules Immobilization by Metal Organic Frameworks

GU Na, LI Heng, ZHAO Yuan

(School of Science, Hebei University of Science and Technology, Shijiazhuang 050018, China)

Metal organic frameworks (MOFs) with properties of high specific surface area, tunable porosity, controllable structure, open metal sites and desirable functionality, have been demonstrated as stable, robust, reusable, efficient, and low-cost substrates for biomacromolecule immobilization, which have motivated increasing research interest. Biomacromolecule-MOFs composites have extensive application in improvement of biocatalyst efficiency and promising recyclability, molecular sensing, drug delivery and gene therapy. This review focuses on the progress in the application of MOFs as biomacromolecule immobilization matrix and the methods and modes for biomacromolecule immobilization to MOFs substrates. The biomacromolecule can be immobilized on the surface of MOFs by physical absorption or covalent bond, diffuse into the pore of MOFs by functional interactions with the MOF ligand moieties or be encapsulated within framework structure by covalent bond or coordination bond during mineralization of MOFs. The design of highly mesoporous and various functional MOFs and the eco-friendly synthesis processes of biomacromolecule-MOFs composites will enlarge the application range of MOFs as substrates for biomacromolecule immobilization.

metal organic frameworks (MOFs); protein; enzyme; nucleic acid; biomacromolecule; immobilization

2017-09-22

河北省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(B2016208054)

谷 娜，女，1981年生，副教授， Email:

gunagao@qq.com

10.7502/j.issn.1674-3962.2017.11.04

TB34

A

1674-3962 (2017)11-0833-07

(編輯 惠 瓊)