中山大学陈国胜/欧阳钢锋团队Angew：离子液体介导的动态聚合策略水相合成酶-共价有机框架生物催化剂

共同第一作者：高瑞，寇筱雪

通讯作者：陈国胜

通讯单位：中山大学化学学院（广州）

论文DOI：10.1002/anie.202319876

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本研究提出了一种微量离子液体（2 µL）介导的一步水相合成策略用于酶@COF生物催化剂的设计。在这些生物催化剂中，酶被固定于多孔COFs纳米隔室。COFs明确的孔道具有底物筛分功能，赋予封装在内的脂肪酶非天然的酯类水解选择性；同时，高结晶性的COFs骨架具有增强的光催化H₂O₂原位合成能力，结合光催化和生物催化成功开发了一种自级联的光-酶反应器，其污染物降解效率是低结晶性光-酶反应器的2.63倍。

背景介绍

共价有机框架（COFs）具有周期连接的多孔网状结构和良好的生物安全性，被广泛应用于生物大分子的固定研究，如酶分子。这种类似“盔甲”功能的COFs骨架为客体酶分子提供了高度可渗透性的封闭隔室，为设计稳定、高活力的新型生物复合催化剂提供了重要的思路。原位组装策略，即在COFs结晶过程中原位将酶分子封装于COFs骨架，是设计生物复合催化剂的重要策略。这种原位组装技术可将尺寸相对大的酶分子融合带入小孔尺寸的COFs，有效避免客体酶分子的浸出问题，有利于大规模工业催化应用。

尽管通过原位组装设计酶@COF生物催化剂已取得系列的进展，但目前仍存在重要的挑战。这主要源于COFs苛刻的结晶环境与天然酶的结构脆弱性之间的矛盾。事实上，近期已有一些基于模板保护及乙酸作为催化剂的水相合成策略尝试用于原位设计酶@COF催化剂。然而，这些报道的策略都不可避免地使用了酶分子敏感的有机溶剂和/或高浓度质子酸，这大大降低了方法对于不同酶分子的可拓展性。同时，得到的酶@COF催化剂结晶度差，导致COFs的网状化学特性和功能大打折扣。

本文亮点

3. COFs明确的孔道具有底物筛分功能，赋予封装在内的脂肪酶非天然的酯类水解选择性；同时，高结晶性的COFs骨架具有增强的光催化H₂O₂原位合成能力，结合光催化和生物催化成功开发了一种自级联的光-酶反应器，其污染物降解效率是低结晶性光-酶反应器的2.63倍。

图文解析

研究人员首先验证了利用微量绿色离子液体在水相中结晶COFs的可行性。选用2 μL 1-丁基-3-甲基咪唑双氰胺（[BMim]N(CN)₂）作为催化剂和调节剂，在室温下水相中缩合反应1,3,5-三甲酰间苯三酚（Tp）和2,5-二氧基对苯二甲酸肼（Deth），合成得到了高结晶度的TpDeth COF (IL)。相比之下，使用等摩尔量的醋酸（HAc）作为催化剂和调节剂，只能得到弱结晶度的TpDeth COF (HAc)。高分辨率低剂量冷冻电镜成像清楚观察到TpDeth COF (IL)的（100）面的晶格条纹。该晶面的间距为2.6 nm，与模拟的理论值（2.61 nm）吻合，也证明材料的高结晶性。结合PXRD、氮气吸附等温曲线数据分析发现该绿色、温和的水合成方法得到的COFs样品与溶剂热法合成的样品结晶度相当，但结晶时间（6小时）大大缩短。

脂肪酶是一类水解酯类的天然大分子，在生物合成、食品加工、环境治理等方面具有重要的应用。研究人员接着以脂肪酶TL为研究对象，通过水相合成制备了TL@TpDeth (IL)生物催化剂，并通过一系列表征手段证实了TL的成功封装及TL@TpDeth (IL)生物催化剂的高结晶性。

图2 酶@COF生物催化剂的结构表征

通过监测不同时间下的PXRD、SEM及FT-IR光谱变化，研究人员探讨了离子液体催化下的酶@TpDeth (IL)组装机理。[BMim]N(CN)₂离子液体具有路易斯酸性，在初始阶段可快速催化醛基配体和氨基配体分子间的席夫碱反应，形成动力学上有利的无定型的酶-聚合物复合体。在反应后期阶段，[BMim]N(CN)₂离子液体的存在会增加亚胺键的动态可逆性，促使无定型酶-聚合物复合体“修复”为热力学有利的高结晶性的产物。

图3 离子液体介导的动态聚合机理

脂肪酶的催化口袋具有较差的底物选择性，限制了其在特定场合的催化应用。鉴于COFs的高度可编程网状化学，理论上设计具有精准几何结构孔道的COF骨架可通过尺寸排斥效应筛分酯类底物，有望提高脂肪酶的酯类水解选择性。鉴于此，本工作通过开发的绿色组装技术合成了三种具有不同尺寸孔结构的TL@COF (IL)生物催化剂，并证实可通过调制COF的孔尺寸预筛分酯类底物，从而提高TL的催化选择性。

图4 离子液体介导策略合成酶@COF生物催化剂的普适性

图5 酶@COF生物催化剂的孔道筛分效应赋予脂肪酶非天然的水解选择性

高结晶的COF具有大π-共轭骨架，比非晶态聚合物具有更优异的光吸收性能及光生电荷分离能力。研究人员合理整合酶生物功能和COF的光催化活性开发了一种自级联光-酶反应器用于降解污染物。设计的COFs骨架具有增强的光催化原位合成双氧水能力，产生的双氧水快速被空间邻近的过氧化物酶催化氧化污染物苯酚。这种光-酶级联催化效率是低结晶性光-酶反应器的2.63倍。同时，研究人员进一步将设计的自级联光-酶催化剂加工成水凝胶珠子，成功应用于复杂环境废水中苯酚的高效降解。

图6 酶@COF自级联光-酶反应器用于降解污染物

总结与展望

本工作证明了利用绿色、微量的离子液体作为催化剂和调节剂用于制备高结晶酶@COF生物催化剂的巨大潜力。该策略无需添加任何有机溶剂，仅需环境友好和生物相容性高的水相媒介，较好地克服了COFs结晶条件与天然酶的不兼容性。高结晶度的COFs孔道具有筛分作用，可赋予部分酶分子非天然的生物催化选择性；同时，整合COFs的化学特性与酶的生物学功能，构筑了一种高性能的自级联光-酶反应器，显著提高了污染物的降解效率。这项工作为稳定、高活力生物催化剂的设计提供了一种温和、绿色的策略，也为多功能光-酶催化体系的开发提供了新见解。

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