UNSW梁康JACS：MOF“锁定”金属酶活性构象！

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研究内容

增强金属有机框架(MOF)内的酶活性是化学技术和生物技术中的一项关键挑战，如果得到解决，将扩大其在能源、食品、环境和制药行业的范围。

澳大利亚新南威尔士大学梁康教授课题组报告了一种简单、通用且有效的策略，通过使用MOF快速“锁定”超声（US）激活的但脆弱的金属酶构象来优化生物催化活性。结果表明，与未经US预处理的酶相比，游离酶和MOF固定酶的生物催化活性分别提高了5.3倍和9.3倍。此外，生物催化MOF复合材料的活性提高不会影响其在加热或暴露于有机溶剂和消化混合物时的稳定性。相关工作以“Locking the Ultrasound-Induced Active Conformation of Metalloenzymes in Metal−Organic Frameworks”为题发表在国际著名期刊Journal of the American Chemical Society上。

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研究要点

要点1.作者选择了六种典型酶作为模型，包括辣根过氧化物酶（HRP）、漆酶（LAC）、Cyt C、过氧化氢酶（CAT）、葡萄糖氧化酶（GOx）、β-半乳糖苷酶（β-Gal）和碳酸酐酶（CA）作为模型进行实验。结果表明，适当的US处理对提高金属酶（包括HRP、LAC、Cyt C和CAT）的活性具有显着的积极作用，但对不含金属中心（非金属酶）作用不大。在最佳的US处理条件下，金属酶的活性比其天然状态高1.2至5.3倍。

要点2.为了解决由于不稳定的高能构象，超声处理后的游离酶很快失去活性。作者通过一锅固定策略，使用沸石咪唑酯骨架（ZIF-8）来快速“锁定”它们的活性构象。结果，与未经US处理的纳米复合材料相比，纳米复合材料的生物催化活性提高了2.1至9.3倍。

要点3.使用辣根过氧化物酶（HRP）作为模型，分子动力学(MD)模拟表明，由于US处理后定制的三维结构，金属酶内的金属活性位点的门从“关闭”状态调节到“打开”状态，显着增加底物结合，从而提高酶活性。固态紫外可见和电子顺磁共振(EPR)证实了完整的血红素活性位点，圆二色(CD)光谱和傅里叶变换红外(FTIR)光谱共同表明US诱导的三维酶构象变化。

要点4.生物催化MOF复合材料的活性提高不会影响其在加热或暴露于有机溶剂和消化混合物时的稳定性。

该研究首次提供了一种简单、通用且有效的方法来优化和保持卓越的金属酶活性。可进一步指导设计具有优异生物活性和稳定性的稳健酶MOF系统，加速其在具有挑战性和重要的实际应用中的应用。

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研究图文

图1. 纯酶和酶-MOF生物复合材料的表征。

图2. 酶-MOF生物复合材料的酶活性和动力学。

图3. 结构分析揭示了增强生物催化活性的机制。

图4. US处理后HRP构象变化的MD模拟及其MOF固定后的活性。

图5. 开发的酶-MOF生物复合材料的操作稳定性。

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文献详情

Locking the Ultrasound-Induced Active Conformation of Metalloenzymes in Metal−Organic Frameworks

Jieying Liang, Muhammad Yazid Bin Zulkifli, Joel Yong, Zeping Du, Zhimin Ao, Aditya Rawal, Jason A. Scott, Jeffrey R. Harmer, Joseph Wang, Kang Liang*

J. Am. Chem. Soc.

DOI: 10.1021/jacs.2c06471

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文献详情

梁康博士现任澳大利亚新南威尔士大学（UNSW）化学工程系与生物医学工程系卓越高级研究员、国家卫生和医学研究理事会职业发展研究员、维多利亚研究员、墨尔本大学、莫纳什大学荣誉研究员、UNSW微纳生物界面系统研究组组长。

长期从事1）生物纳米界面先进材料在生物医学中的应用研究2）多孔纳米颗粒微纳结构的刺激响应变化以及在生物催化、生物分子传递和生物传感中的应用研究。在仿生学智能纳米生物材料的构建机理以及在多种生物界面上的构建等方面具有丰富的研究经验。在本领域已发表顶级SCI收录论文100余篇，其中多篇论文被收录在Science, Science Advances, Nature Communications, Chem, Materials Today, Advanced Materials, Advanced Functional Materials, ACS Nano, Angewante Chemie, Chemical Science等期刊。

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