CBG人物南佛罗里达大学马胜前教授课题组调控主体材料孔道化学环境优化固载酶的性能

 

导语

酶作为一种生物催化剂具有高效性、专一性、多样性、温和性以及易变性等特点，是生物界赖以依存的高效催化剂并已广泛应用于各个领域中。近年来，随着酶工程技术上不断的突破，酶在医药工业、食品工业、轻工业、有机合成等方面的应用越来越广泛。作为一项新型技术，酶工程对各领域的发展势必会起到重要的推进作用。然而由于游离酶的长期稳定性和重复利用性能差，限制其在工业上的大规模应用。将酶固载在特定的载体被认为是解决上述问题的一种有效途径。为了使固载酶的活性得以最大发挥并降低酶的流失，设计和合成性能优异的新型酶固定化主体材料是关键。近年来，新型有序多孔材料用于固载酶的载体备受人们的关注。近日，美国南佛罗里达大学（University of South Florida）的马胜前团队在该研究领域又取得了新突破。

 

马胜前教授课题组简介

 

2010年8月，马胜前博士作为助理教授在南佛罗里达大学化学系建立并领导独立课题组从事先进多孔材料研究，于2015年提前被授予终身教授。课题组主要从事先进多孔材料的研究，包括多孔金属有机框架材料(MOF)和多孔有机聚合物包括无定型聚合物材料(POP)和具有晶体结构的共价有机框架材料(COF)。这些材料具有高比表面积，可调的孔径，以及可功能化的孔道等特点；它们在气体储存/分离，碳捕获，污染物处理，催化等方面具有广泛的应用前景。课题组注重以功能导向进行这几类材料的设计与合成并探索它们在能源与环境方面的应用，典型例子包括用于新型催化材料的设计(J. Am. Chem. Soc., 2016, 138, 15790-15796; AngewChem. Int. Ed., 2016, 55, 5472-5476; J.Am. Chem. Soc., 2015, 137,4243-4248; Angew Chem. Int. Ed., 2014,53,2615-2619;)，卟啉类仿生材料的设计(J. Am. Chem. Soc., 2014,136, 1202-1205; J.Am. Chem. Soc., 2011,133,16322-16325; Angew. Chem. Int. Ed., 2012,51, 10082-10085; Chem. Soc. Rev.,2014, 43, 5841-5866)，水中重金属处理(Adv.Mater. 2017, 1700665; J.Am. Chem. Soc., 2017, 139,2786-2793; Nat. Commun., 2014, 5,5537), 气体的分离/储存(Nat.Commun. 2016, 7,13300; J. Am. Chem. Soc., 2014, 136,8654-8660)及其在主客体化学上的应用如药物缓释和酶固载(J.Am. Chem. Soc., 2011, 133,10382-10385; J. Am. Chem. Soc., 2012, 134,13188-13191; J.  Am. Chem. Soc., 2018, 140, 984-992)。

 

马胜前教授简介

 

马胜前，南佛罗里达大学化学系副教授。2003年毕业于吉林大学取得学士学位，2008年在美国俄亥俄州迈阿密大学取得博士学位，2008年至2010年，他获得美国能源部阿贡国家实验室Director’s PostdoctoralFelloship, 2010年起就职于南佛罗里达大学。

 

研究方向是多孔材料如MOFs, POPs, 和COFs的制备、性能与应用研究。在相关领域发表SCI论文140余篇，包括以通讯作者发表的Nat. Commun., JACS, Angew. Chem. Int. Ed., Chem等。所发论文引用超过13800次，H-index为58，并入选2017年和2016年Web ofScience 高被引用科学家，2014年和2015年美国汤森路透集团全球高被引用科学家(化学方向)名单(HighlyCited Researcher)。他获得的主要奖项包括：2008年美国化学会无机化学分会青年化学家奖，2009年国际纯粹与应用化学联合会(IUPAC)青年化学家奖，2014年美国科学基金会 CAREER Award，和2015年南佛罗里达大学杰出研究成就奖。

前沿科研成果

 

调控主体材料孔道化学环境优化固载酶的性能

美国南佛罗里达大学的马胜前团队在新型酶固定化主体材料方面做了一系列开创性的工作，他们首次提出使用介孔金属-有机框架材料(MOFs)固载酶 (J. Am. Chem. Soc., 2011, 133, 10382-10385)并对固载酶(MP-11)的活性和稳定性进行了系统的研究并与常用固载酶的载体介孔硅基材料(MCM-41)进行对比。由于所使用的MOFs材料对固载的酶具有较强相互作用包括π-π作用，氢键作用和范德华作用(Inorg. Chem.,2014, 53, 10006-10008)，使酶的稳定性和抗流失性都较MCM-4有很大提高，显示了MOFs做为一种新型多孔材料在固载酶上的应用前景(图1)。不仅如此，由于MOFs孔道的限域性和规整性，赋予酶新的功能，所得到的酶和MOFs的复合材料显示出良好的对底物择型性(Inorg. Chem., 2012, 51, 9156-9158)。

 

 

图1: MP-11进入Tb-mesoMOF的示意图和催化性能评价

(来源：J. Am. Chem. Soc.)

 

由于合成的MOFs材料其窗口的孔径小于酶的尺寸，那么酶是怎么进入MOFs的孔道的呢？以cytochrome c (Cyt c)和Tb-mesoMOF为例，作者采用荧光光谱跟踪深入研究其进入机理(J. Am.Chem. Soc. 2012, 134, 13188-13191)，光谱结果表明酶和MOFs作用后先发生部分构相改变后渗入MOF的孔道，再迁移完全进入孔道并恢复原有的酶的构相(图2)。

 

图2: Cyt c进入Tb-mesoMOF的示意图

(来源：J. Am. Chem. Soc.)

 

除了MOFs材料外，近几年兴起的另一类多孔材料即共价有机框架材料(COFs), 因其优异的水/化学稳定性，大的比表面，可调的孔道结构和化学性质，在吸附，催化，光电和环境中污染物处理等方面显示了广泛的应用前景。和其他多孔材料相比，COFs由有机分子通过共价键相连，可以通过选择不同的结构单元实现对孔道结构和孔道化学环境的精确调控。这些性质都非常有利于酶的固载，并通过酶和载体之间的相互作用实现对其活性的调控。以一种广泛应用的脂肪酶Lipase PS为例(图3)，作者首先研究了不同主体对其固载量的影响。COF-OMe对该酶的固载量达到0.89 mg mg-1，远优于具有相似孔结构的硅基材料MCM-41(0.35 mg mg-1)和MOF材料PCN-128(0.63 mg mg-1)。不仅如此，它对酶的固载量也优于具有相同化学组成的无定型聚合物材料POP-OMe(0.58 mg mg-1)。这些结果表明COF材料在酶固载领域的应用前景。研究发现，COF孔道的化学环境对Lipase PS的固载量也有较大的影响，疏水的孔道环境更利于该酶的固载。

 

图3: (a) Lipase PS和所用孔材料的结构示意图。(b)Lipase PS在各种材料中的固载量。

(来源：J. Am. Chem. Soc.)

 

随后作者探讨了这一系列复合材料对二级醇的动力学拆分的活性(图4)。在相同的条件下，lipase@COF-OMe表现出最高的活性，远远优于游离的lipase PS、lipase@MCM-41和lipase@PCN-128，进一步表明COF做为固载酶的主体材料的优越性。与此同时，改变COF材料孔道的化学环境对固载酶的活性也有较大影响。这个性质预示了可以通过精确地调控COFs的孔道化学环境来调控酶在其中的性能。

图4: 不同主体材料对固载的Lipase PS在1-苯基乙醇和乙烯基醋酸酯的动力学拆分的活性评价。

(来源：J. Am. Chem. Soc.)

 

图5: (a) 各种复合材料在乙腈中对1-苯基乙醇和乙烯基醋酸酯的动力学拆分的活性。 (b) 不同温度处理对lipase@COF-OMe和lipase PS活性的影响。(c) 高温溶剂处理对lipase@COF-OMe和lipase PS活性的影响。(d) lipase@COF-OMe和lipase PS重复利用性能评价。

(来源：J. Am. Chem. Soc.)

 

催化剂在实际应用过程中除了具有良好的催化活性外，还必须具备良好的稳定性。作者对固载酶的抗溶剂性，耐温性和重复利用性能进行了深入地研究(图5)。一系列实验结果表明，合适的COF材料对固载酶的稳定性有了很大的提高。综上所述，COF做为一种新兴的材料对酶固载显示了一定的优越性。

 

这一成果近期发表在Journalof The American Chemical Society上，该论文作者为：Qi Sun, Chung-Wei Fu, Briana Aguila, Jason Perman, Sai Wang, His-Ya Huang, Feng-Shou Xiao, and Shengqian Ma（J. Am. Chem. Soc., 2018,140, 984-992）。

 

论文链接：

http://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/jacs.7b10642

 

马胜前课题组主页：

http://sqma.myweb.usf.edu/