酶因其高催化效率、良好选择性和底物特异性而在生物转化、绿色合成等领域受到广泛关注。然而，天然酶分子通常对环境条件较为敏感，容易在强酸、强碱、高温或金属离子等非生理条件下发生结构失活，限制了其实际应用的稳定性和可重复利用性。近年来，模块化可设计的多孔材料，特别是共价有机框架（COFs），因其良好的化学稳定性和结构可调性，被广泛用于酶的固定化，以提升其耐久性和功能保持能力。在COF孔道固定化酶体系中，孔道主体与酶分子客体之间的相互作用不仅影响酶的定位方式，更会调控酶分子的自由度及构象柔性，进而影响酶的催化行为。理解这些主客体相互作用对于开发高性能COF生物复合催化剂具有重要意义。然而，传统的表征手段如红外光谱、核磁共振或圆二色谱等，往往难以准确捕捉孔道限域下主-客体相互作用及由此导致的酶动态行为变化。
针对这一挑战，中山大学化学工程与技术学院周贤太教授团队（刘晓辉博士后、冯靖茹博士研究生等）和中山大学化学学院陈国胜副教授、欧阳钢锋教授等合作提出了一种“自旋探针集成的共价有机框架（SSICOF）”新策略。该方法通过点击化学将自旋探针（TEMPO）原子级精准共价锚定于COF的孔道内壁，EPR信号的变化可灵敏响应酶分子客体与孔道客体之间的相互作用强度，进而反映酶在孔道中的自由度及结构柔性。因此，凭借灵敏、低背景信号干扰的电子顺磁共振（EPR）光谱技术实现了主-客体作用及限域环境中酶动态行为的原位探测。
图1. SSICOF策略研究孔道-酶分子的主-客体相互作用的示意图。图片来源：J. Am. Chem. Soc.
研究发现，TEMPO的EPR信号强度变化与酶分子自由度的变化密切相关：当主客体相互作用较弱时，酶分子在孔道中具有更高的自由度，增强了与自旋探针的瞬态耦合，从而导致自旋晶格相互作用增强、信号加速耗散。进一步的分子动力学模拟（MD）和密度泛函理论（DFT）分析也证实，酶活性位点周围区域的柔性与EPR所揭示的自由度变化趋势一致。以细胞色素C（Cyt c）为例，研究表明其在COF-OMe中展现出较高自由度和局部柔性，且催化活性亦呈现相应增强。该策略还被拓展用于其他酶种类（如溶菌酶和脂肪酶）的COF固定化体系中，均表明酶分子自由度变化与复合生物催化剂的活性趋势高度一致，进一步验证了SSICOF方法在不同酶体系中的适用性。
图2. 自旋探针集成的COF合成路线及孔道酶固定示意图。图片来源：J. Am. Chem. Soc.
该研究工作为酶限域体系的主-客体相互作用研究提供了灵敏的分析工具，从实验层面揭示了限域孔道中酶分子自由度—结构柔性—催化性能的构-效关系，为COF复合生物催化剂的理性设计提供了新见解。相关成果近期发表在Journal of the American Chemical Society上。论文第一作者为中山大学博士研究生冯靖茹，通讯作者为刘晓辉博士后、陈国胜副教授和周贤太教授。
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Spin Sensor-Integrated Covalent Organic Frameworks Reveal the Effect of Host−Guest Interactions on the Catalytic Activity of Immobilized Enzymes
Jingru Feng, Xiaohui Liu*, Siming Huang, Hankang Zhong, Can Xue, Guosheng Chen*, Xiantai Zhou*, and Gangfeng Ouyang
J. Am. Chem. Soc. 2025, 147, 28912–28922, DOI: 10.1021/jacs.5c06528
刘晓辉博士简介
刘晓辉，工学博士，中山大学化学工程与技术学院博士后。主要从事面向小分子氧化还原的多级仿生催化平台构建与调控机制研究，包括O2、CO2和NOx的绿色催化转化。以第一/通讯作者身份在J. Am. Chem. Soc.、Chem. Sci.、Chem. Commun.、ACS Appl. Mater. Interfaces、Inorg. Chem.、Chin. J. Chem.等期刊发表SCI论文10余篇。
陈国胜博士简介
陈国胜，中山大学化学学院副教授，博士生导师，国家级青年人才，广东省杰出青年基金获得者，中山大学逸仙优秀学者，曾入选中国博新人才支持计划。主要从事面向分析测量和环境催化的生物杂化材料基础及应用研究，包括多孔网格框架限域的生物催化、快检生物传感器、环境污染催化治理等方面的研究工作。以第一/通讯作者身份在Chem. Soc. Rev.、Nature Protoc.、Science Advances、Nature Commun. (4)、Chem、JACS (4)、Angew. Chem. Int. Ed.(8)、Matter、CCS Chem.等期刊上发表SCI论文50余篇；获中国分析测试协会科学技术奖特等奖。
https://www.x-mol.com/groups/chen_guosheng
周贤太博士简介
周贤太，工学博士，中山大学化学工程与技术学院教授，博士生导师，东江学者，中山大学惠州研究院院长。主要从事仿生催化、绿色化学化工技术、功能材料、精细化工以及微化工等方面的基础和工程应用研究。荣获中国产学研合作创新奖（个人）、广东省海洋强省建设表现突出个人、惠州市科技领军人才等称号和奖励。主持国家自然科学基金、国家重点研发计划、广东省科技计划等30多项课题。在国际期刊上发表SCI论文100余篇，参编英文专著2部，申请国家发明专利70余件，授权50余件。
https://www.x-mol.com/university/faculty/15442
