近十年金属有机化合物固定化酶研究进展及展望

近十年金属有机化合物固定化酶研究进

展及展望

摘要：金属有机骨架材料(MOFs)凭借其较高的比表面积和孔体积、可设计和调控的孔径及结构,以及化学和热稳定性等特点,克服了传统固定化酶载体的孔径尺寸不可控、制备成本高、酶浸出、产物稳定性差等不足,近年来成为一类新型酶固定化载体。首先,本文分类总结了MOFs固定化酶的特点和近几年发展进展。文章最后展望了MOFs固定化酶未来发展前景，

关键字：金属有机骨架材料，生物酶，固定化，研究进展，应用现状

金属有机骨架材料（Metal Organic Frameworks，MOFs）凭借自身独特的性质如特定的主-客体相互作用及限域效应，极大提高了酶的负载率以及限制酶分子的流失，甚至极端环境下仍能维持酶的活性，近年来成为固定化酶载体的研究热点。不同于传统载体，MOFs材料是由有机配体和金属离子在溶液中发生自组装而形成的一类具有周期性孔结构的结晶杂化材料。由于其物理和化学性质的独特性，加上其化学和结构灵活多样的可调配性，使得MOFs材料在生物酶的固定领域具有巨大的应用价值[1, 2]。

1.MOFs固定化酶的方法

常见MOFs固定酶的方法主要包括以下4种，即表面吸附、共价结合、孔道包埋和原位合成，见表1。其中，表面吸附的温和操作条件使其成为保持酶构象和活性的理想选择；酶表面上丰富的氨基与MOFs的羧酸基团以共价偶联结合生成肽键则可以防止酶从MOFs中浸出；酶进入介孔MOFs的孔道或空腔完成包埋可以实现高酶负荷和低酶浸出；原位合成的优势在于克服了酶尺寸限制对固定在MOFs上的应用，并且即使在恶劣条件下也能表现出色的稳定性。

表1 利用MOFs载体固定酶的4种主要合成策略及其比较方法

方法优势劣势

原位合成

制备条件温

和，酶活性不受影

响；快速

合成条件限于水溶液；MOFs种类较

少

表面吸附

操作简单；绿

色化学

酶与载体作用力弱，易流失；耗

时；强静电相互作用可能影响蛋白质构

象，从而导致酶活性下降

共价键法

酶与载体之间

作用力强

操作复杂；化学试剂引入可能对酶

活性有影响

孔道包埋

酶负载率高且

不易流失

对MOFs孔径（大多限于介孔）、酶

尺寸、形状都有要求

1.MOFs固定化酶的特点

MOFs用于酶的固定化具有4个显著的特点，即可重复使用性、高选择性和催

化活性、高稳定性和水耐受性。（1）可重复使用性。与游离酶相比，固定化酶

最大优点之一是它们的可重复使用性，这在MOFs作为载体材料中显得尤为突出，使得其成本大为降低。MOFs材料可以构建大量规则的微孔或介孔，不仅如此，由

于其金属节点和有机配体丰富的几何学特征，载体的结构和形貌可以合理设计，

使其具备所需的特定功能。Feng等将辣根过氧化物酶（HRP）分别固定在介孔材

料PCN-333和SBA-15上，HRP@PCN-333复合材料在5个循环内活性保持在至少80%以上，而HRP@SBA-15复合材料在经过一个循环后就失去了超过70%的活性[3]。（2）高选择性和催化活性。MOFs多孔骨架材料拥有巨大的比表面积和孔体积，

极有利于分子的吸附和扩散。此外，由于MOFs骨架上的官能团可以积极参与催

化过程，且有机配体的调控可使其孔径大小按需优化，这使得酶-MOF复合材料对

底物分子具有更好的选择性，从而大大增强了酶-MOF复合物的催化活性。

Lykourinou等[4]使用Mb@TbmesoMOF复合材料催化1, 2, 3-三羟基苯（THB）

和2, 2'-连氮基双(2-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸盐)（ABTS），研究结果表明，

Mb@Tb-mesoMOF复合材料催化THB的初始速率几乎是ABTS的6倍，并且是游离

Mb和Mb@SBA-15催化速率的2倍以上。（3）高稳定性。通过特定的主-客体相互

作用，具有材料拓扑结构的MOFs多孔骨架材料可以为酶分子构建稳定的微环境，使其在保持酶活性、防止酶分子团聚等方面表现出巨大的优势。一般情况下，当

酶暴露于极端环境中或者有机溶剂时，会使酶的构象发生改变，活性位点变形导

致酶活性的丧失。而酶在MOFs多孔骨架材料上的固定则使得这些条件下酶活性

丧失最小化，从而增强酶对变性条件的耐受性。Liang[5]等将HRP固定在ZIF-8上，得到的HRP@ZIF-8复合材料在沸水或沸腾的DMF溶剂中可保持85%的活性，

这种结果对于酶固定在其他材料上是前所未有的。（4）水耐受性。通常酶在水

溶液中易发生团聚现象，而固定在MOFs载体上的酶能降低对水的敏感性，再加

上MOFs空腔的紧密包封能减少酶结构的不利展开，故而负载在MOFs上的酶活性

能很好地维持。基于以上实现的前提是MOFs具有优异的水耐受性，如锆基MOFs、NU-100x。Chen等[6]将胰岛素封装在NU-1000中用于糖尿病治疗，胰岛素@NU-1000不仅有良好的水耐受性，而且对pH变化也不敏感。

3. MOFs固定酶研究进展

早在2006年，Pisklak等[7]首次报道了MOFs固定微过氧化物酶-11（MP-11），用于催化氧化亚甲基蓝（MB）。此后，采用MOFs作为载体固定酶的合成

方法及其应用研究日益活跃，成为国际热点领域。Ma等[8]研究了5种具有不同

表面积和官能团的沸石咪唑骨架（ZIFs）对葡萄糖脱氢酶（GDH）和亚甲基绿（MG）的表面吸附。ZIFs的疏水特性使得ZIF-70可通过疏水作用将GDH吸附到

其表面。此外，UV-vis光谱表明ZIF-70和GD存在主-客体相互作用和氢键作用，意味着GDH在ZIF-70上的吸附同时受物理作用和化学作用的影响。

4. MOFs固定酶展望总结

MOFs被证明是固定化酶的有效载体。MOFs固定化酶在催化活性、稳定性及

可重复性方面表现出令人满意的效果，进而作为检测、降解环境污染物的有效手段，在环境监测和污染物去除中表现出良好的应用前景。需要指出的是，酶-