英文原题：Highly Enantioselective Catalysis by Enzyme Encapsulated in Metal Azolate Frameworks with Micelle-Controlled Pore Sizes
通讯作者：袁建 (Jian Yuan)、章跃标 (Yue-Biao Zhang)、程林 (Lin Cheng)
作者：任豪 (Hao Ren)、袁建 (Jian Yuan)、李一鸣 (Yi-Ming Li)、李文静 (Wen-Jing Li)、郭奕航 (Yi-Hang Guo)、张轶博 (Yi-Bo Zhang)、王炳昊 (Bing-Hao Wang)、马凯丽 (Kaili Ma)、彭禄 (Lu Peng)、胡谷平 (Guping Hu)、王稳启 (Wen-Qi Wang)、贺海龙 (Hailong He)、卓联洋 (Lien-Yang Chou)、 曾明华 (Ming-Hua Zeng)、章跃标 (Yue-Biao Zhang)、程林 (Lin Cheng)
背景介绍
生物酶作为不对称催化剂，具有高效的催化效率和高度的对映体选择性。将酶固定在金属咪唑框架（MAF），可以大大提高其稳定性和结构可调性，也防止了酶的浸出问题，有助于提高酶的重复利用性。然而，这种方法的应用受到了很多限制，例如只有少量MAF可以在水相等不破坏酶活性的温和条件下合成。因此，能够在水相室温合成的MAF受到了这个领域的青睐，并促使这个领域在近10年中蓬勃发展。其中ZIF-8最具代表性，然而它较小的开放孔径阻碍了酶在大尺寸底物方面的催化应用等，因此酶@MAF的研究仅仅局限于概念验证的研究，而没有推广到大分子的有机合成。由鉴于此，本文作者们提出了一种能在室温下不添加任何添加剂的水溶液中合成大孔径MAF的绿色方法，通过控制咪唑配体浓度诱导形成不同大小的胶束来调控具有不同拓扑结构和孔径的MAF。这是一种利用直观且可视的方法来设计和合成大孔MAF，它可以通过可调的实验参数来设计和合成不同拓扑结构的同素异形体MAF，并有效地取代了框架材料研发的传统策略。
文章亮点
1
合成方法：开创了一种直接可视的框架材料合成方法。在室温和水相下只调节配体浓度，可合成不同拓扑结构的同素异形体MAF，并得到其纯相的方法。
2
MAF-6具有大窗口：合成的七种不同拓扑MAF和ZIF结构中，MAF-6以7.6 Å的大窗口脱颖而出，是传统ZIF-8 (3.4 Å)孔径的两倍多。
3
手性药物前体的实际应用：利用大孔径和高催化效率的优势，成功地将enzyme@MOF催化从概念验证提升到手性药物前体合成的实际应用。这是ZIF催化领域十年来孜孜以求的里程碑。
图文解读
传统的MAF-6合成需要碱、乙醇溶剂和有机模板，这种合成方法在典型的ZIF合成中是常见的，且容易使酶失活。为了实现生物催化剂的高活性和稳定性，优先考虑酶相容性和环境可持续性的MAF-6合成方法至关重要。在这里，作者采用了水溶性良好的Zn(NO3)2作为Zn2+源，在室温下保持恒定的Zn2+浓度，将2-乙基咪唑(HeIM)的浓度从相对于Zn2+浓度的5倍逐步提高到80倍。发现随着HeIM溶液的逐渐增加，MAF-32、MAF-5和MAF-6依次形成(图1 a)。令人惊讶的是，这种MAF-6的合成不需要额外的碱基或模板，因此猜测过量的HeIM在框架形成中既充当连接剂和碱，又至关重要地充当自模板剂。对不同浓度的HeIM溶液进行丁达尔效应和动态光散射(DLS)测试(图1 b和c)，发现随着HeIM溶液的浓度增加，溶液中HeIM胶束也随着生长而变大，因此增加HeIM浓度会促成更大体积的胶束形成，从而诱导不同大小的孔径和笼的生长，最终形成不同拓扑结构的同素异形体单晶。
图1. (a)不同浓度HeIM形成的MAF-32, MAF-5和MAF-6的PXRD。(b)激光照射下不同浓度HeIM的丁达尔效应图。(c) DLS测定不同浓度下HeIM胶束大小。
对生物酶BCL (Burkholderia cepacia lipase)的封装过程中并不改变MAF-6的形貌，且随着酶的包封量增加，BCL@MAF-6和BCL@MAF-6-SDS的生物活性呈现先增加后降低趋势。并通过多种表征和测试方法，证明BCL成功的封装到MAF-6的晶体内部，而不是简单的吸附在外表面(图2)。
图2. (a) MAF-6, BCL@MAF-6和BCL@MAF-6-SDS的氮气吸脱附曲线图。(b) BCL@MAF-6的SEM图。(c) BCL@MAF-6中Zn, C, N, O和Ca的EDS元素分析图。(d) FITC标记的BCL@MAF-6-SDS的CLSM图。
不对称催化是现代制药工业中不可或缺的环节，在药物研发和生产的各个阶段，手性靶分子的对映选择性合成是最至关重要的一步。利用MAF-6的孔径大于ZIF-8的优势，BCL@MAF-6-SDS催化剂在有机合成手性药物体驱分子中能够让酶分子接触到更大的有机底物，从而展现出了前所未有的催化活性。
图3. BCL@ZIF-8、BCL@MAF-6-SDS和游离BCL催化合成手性药物前体。
总结与展望
这篇文章的研究以实际应用为最终目标，涵盖了整个上中下游研发链，先从上游的MOF框架设计，到中游的封装酶催化剂研究，最后是药物分子前体的合成。这种全面的全方位研究打通了新MOF发明和新工艺开发的传统领域与MOF新应用领域之间的壁垒。它为MOF合成领域的科学家们提供以应用为始的指导，同时也启发了MOF应用领域的研究人员根据特定的应用选择和合成MOF。
通讯作者信息
程林：2002年6月本科毕业于郑州大学化学系，获理学学士学位；2007年6月博士毕业于中山大学化学化学工程学院（导师：陈小明院士）；2007年10月开始在东南大学化学化工学院工作。主要研究具有多功能的手性自负载催化剂的构筑及其在不对称催化方面的应用。运用具有催化活性的分子建筑块或后合成策略来构筑具有两种或多种催化活性的手性金属-有机骨架（CMOFs)、手性螺旋链/环。
袁建：2004年本科毕业于北京大学（导师：席振峰院士）；2009年在美国Dartmouth College获得博士学位（导师：Russell Hughes 院士）；2009-2012年在麻省理工学院诺贝尔奖得主Richard Schrock组进行博士后研究；2013-2014年在劳伦斯伯克利国家实验室从事MOF研究（合作导师：Omar M. Yaghi院士）；现就职于Avogadral Solutions公司。
章跃标：2006年本科毕业于中山大学应用化学专业，获理学学士学位；2011年毕业于中山大学化学学院，获无机化学专业博士学位（导师：陈小明院士）；2011年8月至2015年1月先后在美国加州大学洛杉矶分校、劳伦斯伯克利国家实验室和加州大学伯克利分校从事博士后研究（合作导师：Omar M. Yaghi院士）；2015年2月加入上海科技大学物质科学与技术学院。主要研究多孔框架材料（MOF、COF和MAF等）与碳中和能源应用。
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ACS Cent. Sci. 2024, ASAP
Publication Date: January 18, 2024
https://doi.org/10.1021/acscentsci.3c01432
Copyright © 2024 The Authors. Published by American Chemical Society
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