氫鍵有機(jī)框架(HOFs)具有制備過程簡單綠色、生物相容性好等優(yōu)點，是一種理想的固定化酶載體。然而，目前為止所報道的基于HOFs的固定化酶體系與游離酶相比，表現(xiàn)出較低的酶活回收率；并且還未實現(xiàn)輔因子依賴的多酶級聯(lián)體系在HOFs中的共固定化。為解決當(dāng)前HOFs在構(gòu)建生物催化劑方面的挑戰(zhàn)，天津大學(xué)孫彥教授團(tuán)隊開發(fā)了一種聚電解質(zhì)輔助的包封策略，可使不同的輔因子依賴的多酶級聯(lián)體系以較高的負(fù)載量與高于100%的級聯(lián)活性共包封于HOFs中。
以BioHOF-1作為研究的固定化載體（酶活回收率約為24%, J. Am. Chem. Soc. 2019, 141, 14298-14305），研究了四種不同氧化還原酶在BioHOF-1中的固定化情況。結(jié)果顯示，四種固定化酶的活性表現(xiàn)出不同程度地下降（圖1a）。通過計算與實驗分析得知，HOF中酶活的降低與HOF構(gòu)建模塊與酶分子上的關(guān)鍵殘基發(fā)生了不利的氫鍵相互作用并導(dǎo)致酶的構(gòu)象改變有關(guān)（圖1b - c）。為此，利用聚電解質(zhì)（聚烯丙胺鹽酸鹽，PAH）附著在帶有相反電荷的酶分子表面，PAH通過代替酶分子與HOF單體發(fā)生氫鍵作用，從而避免HOFs單體自組裝過程中對酶分子的不利影響，從而大幅度提高了HOFs中固定化酶的活性收率（圖1a）。此外，與直接共沉淀法相比，PAH輔助四種酶在HOFs中的固定化率也表現(xiàn)出不同程度的提高（圖1d）。
圖1 (a) 四種酶在不同形態(tài)下的相對活性，其中游離酶的相對活性定義為100%；(b) 酶經(jīng)PAH和/或HOF單體處理前后的圓二色光譜圖；(c) 酶經(jīng)PAH和/或HOF單體處理前后的熒光發(fā)射光譜圖；(d) 四種酶通過共沉淀法或聚電解質(zhì)輔助的包封方法在BioHOF-1中的固定化率比較。 與此同時，帶有負(fù)電荷的輔因子（煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（磷酸），NAD(P)H）可通過靜電作用錨定到PAH分子上，因此可隨酶分子一起共包封于HOFs中。這種聚電解質(zhì)輔助的包封策略已在兩種NAD和NADP依賴的多酶級聯(lián)體系得到證明（圖2）。NAD依賴的醇脫氫酶(ADH)-胺脫氫酶(AmDH)級聯(lián)體系以及NADP依賴的苯丙酮單加氧酶(PAMO)-亞磷酸脫氫酶(PTDH)級聯(lián)體系在BioHOF-1中均展現(xiàn)出優(yōu)異的級聯(lián)活性（圖2–圖3）。 圖2 (a) A-Am-N@PAH-BioHOF-1和(b) PA-PT-NP@PAH-BioHOF-1的多酶級聯(lián)反應(yīng)示意圖。 圖3 不同形式的(a) ADH-AmDH和(b) PAMO-PTDH級聯(lián)體系的相對活性。F代表游離體系，PAH-BioHOF-1代表聚電解質(zhì)輔助的包封體系，BioHOF-1代表直接共沉淀的包封體系。 該聚電解質(zhì)輔助包封策略的通用性和高效性還在基于HOF-101的生物納米反應(yīng)器的構(gòu)建中得到了進(jìn)一步驗證。這種PAH-HOF還為內(nèi)部包封的酶分子和輔因子提供了卓越的穩(wěn)定性以及循環(huán)使用性（圖4）。因此，該研究為創(chuàng)建各種基于HOF的輔因子依賴的多酶級聯(lián)納米反應(yīng)器開辟了一條新的途徑。 圖4 (a) A-Am-N@PAH-BioHOF-1和(b) PA-PT-NP@PAH-BioHOF-1在不同處理條件下的穩(wěn)定性；(c) A-Am-N@PAH-BioHOF-1和(d) PA-PT-NP@PAH-BioHOF-1的循環(huán)使用性。 論文信息 Co-Encapsulating Cofactor and Enzymes in Hydrogen-Bonded Organic Frameworks for Multienzyme Cascade Reaction with Cofactor Recycling Si Liu and Yan Sun* Angewandte Chemie International Edition DOI: 10.1002/anie.202308562
