中山大学陈国胜/欧阳钢锋团队CCS Chem.：基于MOF缺陷工程策略合成的类磷酸水解酶纳米酶

导语

酶是生命体系中不可或缺的重要功能大分子，酶催化驱动着众多复杂的生化反应，同时维系着生命的正常运转。由于天然酶在结构与功能上的脆弱特性，其催化活性容易受到外界条件的影响而变化，发展高效的仿生催化剂是解决上述问题的方向之一。水解酶是天然酶中最重要的一大类，能够催化水解磷酸酯键、羧酸酯键、糖苷键和酰胺键等的断裂反应。其中，磷酸水解酶尤其引人注目，因为磷酸二酯键构成了核酸的骨架单元，对于储存和传递生物信息具有重要意义。然而，在生理条件下磷酸二酯键的水解极具挑战，其半衰期可达千亿年。目前，已开发的Zr基MOFs（Zr-MOFs）类水解酶纳米酶受限于其催化活性依赖碱性介质激活的问题，这极大的限制了其在生理条件下的应用。因此，开发新型的、可在生理条件下有效水解磷酸二酯键的水解酶纳米酶仍是一项挑战性的工作。

近日，中山大学化学学院陈国胜/欧阳钢锋团队报道了一种基于MOF缺陷工程策略设计的金属-有机框架纳米酶（UiO-66 reo）用于模拟磷酸水解酶（图1），能够在生理条件下（pH=7.4和37℃）水解磷酸二酯键，其活性优于已报道的系列Zr-MOFs类水解酶纳米酶。研究表明，含有簇缺失结构的UiO-66 reo具有开放的边缘结构和独特的Zr6簇结构，二者均有助于提高磷酸二酯键的水解效率，从而在温和的生理条件下实现了对DNA的裂解。这项工作为稳定、低成本生物催化剂的设计提供了一种合理的方法，也为通过多孔晶体和缺陷工程研究材料结构-酶催化活性之间的构-效关系提供了新见解。相关研究发表在CCS Chem.上（DOI: 10.31635/ccschem.023.202303541）。

图1 UiO-66 reo纳米酶用于水解磷酸二酯键（图片来源：CCS Chem.）

前沿科研成果

基于MOF缺陷工程策略合成的类磷酸水解酶纳米酶

在本研究中，研究团队通过简单的水热合成策略，制备含有reo簇缺陷结构的Zr基UiO-66 reo纳米酶。以双（4-硝基苯基）磷酸酯（BNPP）为催化底物，UiO-66 reo纳米酶不仅表现出比已报道的Zr-MOFs水解酶更优异的类磷酸二酯酶水解活性，而且具有良好的水解选择性（图2）。通过iDPC高分辨成像技术观察到UiO-66 reo纳米酶不仅具有簇缺失的结构，而且其晶体边缘和内部也有部分呈现非晶态结构（图3），正是因为这种无定形的非晶态结构带来的大尺寸空腔，进一步加速了催化底物的传质，从而提高了类磷酸二酯酶活性。上述微观结构也通过染料吸附实验得到了验证。机理研究表明，高效的磷酸二酯水解得益于缺陷Zr6簇上通过氢键锚定的水分子的亲核进攻反应。DNA水解实验表明，UiO-66 reo纳米酶能够在生理条件下实现磷酸二酯键的高效切割（图4）。

图2 类磷酸二酯酶活性及水解选择性评价（图片来源：CCS Chem.）

图3 UiO-66 reo纳米酶微观结构表征与染料吸附实验（图片来源：CCS Chem.）

图4 UiO-66 reo纳米酶生理条件下的DNA水解能力（图片来源：CCS Chem.）

本研究开发了一种基于MOFs缺陷工程策略的磷酸水解酶纳米酶，实现生理条件下（pH=7.4和37℃）磷酸二酯键的高效水解。这项工作证明利用晶体和缺陷工程模拟磷酸水解酶生物催化功能的可行性，有望推进水解纳米酶在生物医药领域的应用。

论文信息：

Biomimetic Phosphohydrolase Nanozyme Based on Defect-Engineered Metal–Organic Framework

Xiaoxue Kou†, Yuhong Lin†, Yong Shen, Linjing Tong, Rui Gao, Suya Liu, Siming Huang, Fang Zhu, Guosheng Chen*, Gangfeng Ouyang

CCS Chem. 10.31635/ccschem.023.202303541

教授简介

陈国胜，中山大学副教授，博士生导师，广东省杰出青年基金获得者。主要从事仿生功能纳米结构及生物分析研究，包括蛋白质@多孔晶体复合框架（探针）设计及界面化学研究、生物传感等方面的研究工作。目前已发表SCI论文80余篇，包括以第一/通讯作者身份在Chem. Soc. Rev.、Nat. Protoc.、Nat. Commun.（3）、Chem、 J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.（7）、Matter、CCS Chem.、JACS Au等期刊上发表SCI论文38篇。获2022年中国分析测试协会科学技术奖特等奖，入选“2023全球前2%顶尖科学家”榜单。

邀稿

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