生物大分子可以控制活細(xì)胞中的一系列生物轉(zhuǎn)化過(guò)程，比人工生物系統(tǒng)具有更高的效率、特異性和選擇性。由于生物大分子固有的脆弱性，采用生物大分子（例如酶）進(jìn)行無(wú)細(xì)胞生物轉(zhuǎn)化過(guò)程通常需要將其固定在多孔載體中。金屬有機(jī)骨架（MOFs）是一類(lèi)由金屬節(jié)點(diǎn)和有機(jī)配體組裝而成的多孔材料，具有超高的表面積、可定制的孔隙率和特定的骨架組成。MOFs的超高孔隙率為宿主生物分子提供了類(lèi)似細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)，而開(kāi)放的MOFs網(wǎng)絡(luò)則允許在活細(xì)胞中選擇性轉(zhuǎn)運(yùn)模擬生物轉(zhuǎn)化過(guò)程的底物。
3D沸石咪唑酯骨架（ZIF，~3.5 ?孔徑）是研究最廣泛的用于容納生物實(shí)體的MOFs，這是由于它們具有生物相容性較好的合成條件，可防止生物大分子在MOFs生物復(fù)合體形成過(guò)程中變性。為了提高M(jìn)OFs生物復(fù)合體的生物功能性，迫切需要了解MOFs結(jié)構(gòu)對(duì)宿主生物大分子活性的作用，以促進(jìn)構(gòu)建高活性的MOF生物復(fù)合體。
近期，中山大學(xué)歐陽(yáng)鋼鋒教授課題組報(bào)道了一種實(shí)用且生物相容的策略來(lái)增強(qiáng)生物分子的生物活性。該策略將ZIF-8包裹的生物復(fù)合體制備為可控的納米結(jié)構(gòu)，形成的ZIF-8涂層可以通過(guò)肽調(diào)節(jié)劑γ-聚-L-谷氨酸（PLGA）從不同的3D微孔結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換為2D中孔層。PLGA是一種富含羧基的生物相容性陰離子多肽，通常用作生物大分子的表面改性劑，可顯著促進(jìn)生物大分子周?chē)鶰OFs的形成。同時(shí)，多余的PLGA鏈可以通過(guò)羧基與金屬離子的競(jìng)爭(zhēng)性配位作用，導(dǎo)致復(fù)合材料的形貌演變并生成缺陷結(jié)構(gòu)（圖一）。基于這種策略，作者全面評(píng)估MOFs納米結(jié)構(gòu)對(duì)生物大分子活性的影響，證明了生物大分子封裝在新型2D介孔紡錘形的MOFs架構(gòu)（2D MSMOFs）中可以大大提高M(jìn)OFs生物復(fù)合體的活性。這是由于在2D MSMOFs中擴(kuò)散路徑的縮短和孔道的擴(kuò)大促進(jìn)了生物轉(zhuǎn)化過(guò)程中的相互交換。此外，2D MSMOFs薄層還通過(guò)結(jié)構(gòu)限制對(duì)宿主生物大分子及其蛋白質(zhì)支架的生物礦物質(zhì)提供出色的保護(hù)作用，從而使它們能夠在生活環(huán)境中發(fā)揮其生物學(xué)功能。相關(guān)成果以“Embedding Functional Biomacromolecules within Peptides-Directed Metal-Organic Frameworks Nanoarchitectures Enables Activity Enhancement”為題發(fā)表在國(guó)際化學(xué)權(quán)威雜志Angew. Chem. Int. Ed.上（DOI: 10.1002/anie.202005529）。
圖一、通過(guò)PLGA調(diào)節(jié)將生物大分子原位封裝在可變形MOFs中的示意圖
（來(lái)源：Angew. Chem. Int. Ed.）
首先，作者以辣根過(guò)氧化物酶（HRP）作為生物大分子模型，研究了多肽介導(dǎo)的MOFs生物復(fù)合體的形態(tài)演化過(guò)程。HRP是一種鐵血紅素酶，可催化底物被過(guò)氧化氫氧化。在典型的封裝過(guò)程中，將HRP分散到多肽水溶液中，然后添加金屬離子（醋酸鋅）和2-甲基咪唑（HmIM）。將混合物陳化，然后形成生物大分子 @MOFs生物復(fù)合物。生物大分子氨基酸殘基中羧基所帶的負(fù)電荷在加速生物大分子周?chē)鶰OFs的形成中起著關(guān)鍵作用，但具有正表面電荷的HRP無(wú)法誘導(dǎo)MOFs的形成。當(dāng)引入PLGA時(shí)，具有豐富羧基的PLGA通過(guò)靜電相互作用改性HRP，從而促進(jìn)了生物大分子@MOFs復(fù)合物的形成。這種快速的自我誘導(dǎo)的MOFs形成能夠降低封裝過(guò)程中生物大分子失活的風(fēng)險(xiǎn)。
作者分別用掃描電子顯微鏡和透射電子顯微鏡研究了所得復(fù)合材料的形貌演變（圖二）。當(dāng)沒(méi)有PLGA介入的情況下進(jìn)行封裝時(shí)，復(fù)合材料會(huì)長(zhǎng)成均勻的3D菱面體十二面體，直徑大約為1.5 μm。通過(guò)添加1 mg至5 mg PLGA，生物復(fù)合物逐漸演變?yōu)榫哂姓郫B表面的不規(guī)則3D多面體（polyhedron）。PLGA劑量的增加導(dǎo)致形態(tài)演變?yōu)?D十字交叉形（decussation），并最終形成2D紡錘形的層，其厚度大約為150 nm。進(jìn)一步增加PLGA劑量可將2D層組裝成3D花狀結(jié)構(gòu)（nanoflower），布拉格衍射峰的相應(yīng)演變也支持PLGA能夠調(diào)節(jié)生物大分子@MOFs生物復(fù)合體的晶體生長(zhǎng)，其中典型的3D ZIF-8衍射峰變?nèi)?，并伴隨著2D層的新衍射峰的出現(xiàn)。作者通過(guò)傅里葉變換紅外光譜測(cè)試驗(yàn)證了摻入的PLGA與金屬離子配位，通過(guò)X射線(xiàn)光電子能譜測(cè)試成功記錄了Zn、C、N和O的元素， 其中Zn 2p3高分辨光譜表明了PLGA與Zn2+的競(jìng)爭(zhēng)配位形成了新的Zn-O鍵。調(diào)節(jié)劑的競(jìng)爭(zhēng)性配位通常能夠在MOFs中產(chǎn)生缺陷，氮吸附等溫線(xiàn)驗(yàn)證了在生物復(fù)合體演變過(guò)程中，1.1 nm的微孔轉(zhuǎn)化為2 nm至20 nm的中孔。這些結(jié)果證實(shí)了PGLA肽調(diào)節(jié)劑能夠調(diào)節(jié)MOFs生物復(fù)合體的納米結(jié)構(gòu)和孔徑大小。
圖二、生物大分子@MOFs生物復(fù)合物的形貌、晶型表征圖
（來(lái)源：Angew. Chem. Int. Ed.）
接著，作者研究了MOFs的納米結(jié)構(gòu)對(duì)活性的影響。作者使用3,3',5,5'-四甲基聯(lián)苯胺（TMB）作為過(guò)氧化物酶底物，評(píng)估了封裝HRP的MOFs納米結(jié)構(gòu)對(duì)所形成的生物復(fù)合體活性的影響。其中，HRP@3D微孔MOFs表現(xiàn)出極低的活性，這歸因于3D微孔結(jié)構(gòu)中基質(zhì)的擴(kuò)散受阻；HRP@2D MSMOF能夠瞬間將TMB催化為藍(lán)色產(chǎn)物（oxTMB）。通過(guò)全面評(píng)估MOFs納米結(jié)構(gòu)對(duì)包封的生物大分子活性的影響，相對(duì)酶活性計(jì)算如下：HRP@2D MSMOFs > HRP@3Ddecussation MOFs ≈ HRP@3D nanoflower MOFs > HRP@3D polyhedron MOFs。結(jié)果表明，二維結(jié)構(gòu)和介孔孔徑有利于高活性的保存。為了驗(yàn)證該結(jié)論，作者使用細(xì)胞色素C（Cyt C）和葡萄糖氧化酶（GOx）在內(nèi)的其他蛋白質(zhì)嵌入2D MSMOFs中，以研究其催化活性（圖三）。
圖三、酶@MOFs復(fù)合物活性研究示意圖
（來(lái)源：Angew. Chem. Int. Ed.）
最后，作者研究了生物催化和刺激響應(yīng)型MOFs作為細(xì)胞模擬物（圖四）。受2D MSMOF保護(hù)的生物大分子的生物活性以及耐久性的提高增加了其在有機(jī)相生物催化中的應(yīng)用潛力。與HRP@3D MOFs相比，構(gòu)建的HRP@2D MSMOFs生物催化劑顯示出對(duì)DMF中芳香族胺催化氧化能力的增強(qiáng)。在細(xì)胞環(huán)境中的生物催化級(jí)聯(lián)反應(yīng)代表了主要的化學(xué)轉(zhuǎn)化類(lèi)別，可以使生物信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)和代謝途徑有序地進(jìn)行。模仿細(xì)胞的生物級(jí)聯(lián)反應(yīng)可以進(jìn)行局部和程序化的反應(yīng)過(guò)程，該過(guò)程已用于新型生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中，例如微反應(yīng)器和生物傳感器。受到此啟發(fā)，作者通過(guò)將生物識(shí)別單元GOx和生物信號(hào)傳輸單元共同限制在2D MSMOFs中，構(gòu)建了葡萄糖刺激的多反應(yīng)“細(xì)胞模擬物”（CM）。當(dāng)將葡萄糖添加到構(gòu)建的2D MSMOFs CM中時(shí)，生物級(jí)聯(lián)被激活。葡萄糖首先被GOx識(shí)別并催化反應(yīng)生成H2O2，生成的H2O2充當(dāng)金納米團(tuán)簇（AuCNs）的底物，不僅可以通過(guò)牛血清蛋白-金納米團(tuán)簇（BSA-AuCNs）的過(guò)氧化物酶樣活性將TMB催化為oxTMB，而且還可以氧化導(dǎo)致進(jìn)行熒光猝滅。構(gòu)建的MSMOFs CM啟用了葡萄糖反應(yīng)性雙信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)：色度“turn-on”和熒光“turn-off”。這兩個(gè)信號(hào)讀數(shù)的視覺(jué)辨別力是互補(bǔ)的，其中色度“turn-on”的敏感區(qū)域是1.0-10.0 mM，而熒光“turn-off”的敏感區(qū)域是0.1-1.0 mM。另外，作者觀察到信號(hào)強(qiáng)度和葡萄糖濃度之間的良好線(xiàn)性。這表明通過(guò)使用雙響應(yīng)MSMOFs CM可以實(shí)現(xiàn)更高分辨率的視覺(jué)檢測(cè)。為了驗(yàn)證2D MSMOFs納米結(jié)構(gòu)在模仿生物級(jí)聯(lián)通訊方面的優(yōu)勢(shì)，作者還使用類(lèi)似的策略構(gòu)建了3D微孔MOFs CM。通過(guò)葡萄糖激活后的熒光響應(yīng)率評(píng)估的3D微孔MOFs CM中的生物級(jí)聯(lián)通訊比2DMSMOF CM中的生物級(jí)聯(lián)通迅要慢得多，這種對(duì)信號(hào)響應(yīng)的抑制歸因于在3D微孔結(jié)構(gòu)中生物級(jí)聯(lián)的相互通訊受阻。
圖四、MOFs復(fù)合物作為細(xì)胞模擬物的研究示意圖
（來(lái)源：Angew. Chem. Int. Ed.）
小結(jié)：中山大學(xué)歐陽(yáng)鋼鋒教授課題組報(bào)道了一種生物相容性、肽導(dǎo)向的策略，以簡(jiǎn)單的方式將覆蓋MOFs的生物復(fù)合物制備成可控的納米結(jié)構(gòu)，并強(qiáng)調(diào)設(shè)計(jì)的MOFs構(gòu)架對(duì)于維持所獲得的納米生物復(fù)合物生物功能的重要性。與廣泛研究的3D微孔MOFs生物復(fù)合材料相比，新型2DMSMOFs生物復(fù)合物顯示出顯著的活性增強(qiáng)，這歸因于擴(kuò)散路徑的縮短和孔道的擴(kuò)大。同時(shí)，設(shè)計(jì)的2D MSMOFs涂層賦予嵌入的生物大分子及其生物礦物質(zhì)以增強(qiáng)的生物功能性，并允許其在不宜居住的條件下進(jìn)行模擬細(xì)胞的活動(dòng)。該發(fā)現(xiàn)為構(gòu)建具有出色生物活性和耐久性的功能性MOFs生物系統(tǒng)提供了新的見(jiàn)解，這可能會(huì)推動(dòng)人工細(xì)胞的構(gòu)建并加速?gòu)?fù)雜應(yīng)用中無(wú)細(xì)胞的生物轉(zhuǎn)化。
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