南开新闻网讯（通讯员 孙运涛 记者 吴军辉）近日，南开大学药物化学生物学国家重点实验室和药学院的陈瑶研究员课题组以金属有机框架材料(MOFs)为牺牲模板，制备了高效负载生物分子的共价有机框架材料(COFs)胶囊，为固定化体系中的生物大分子“松绑”，创建了一种操作简便、可定制化的新型生物制剂平台。该工作发表在国际学术期刊《美国化学会志》（JACS）上，南开大学药学院博士生李明敏为论文第一作者。
据介绍，胶囊结构既可有效保护酶不受外部环境的影响，又能赋予内腔中的酶更高的自由度。同时，COFs的孔道设计有效保证了底物的顺利传质。此方法不受生物大分子的尺寸限制，普适性强，且适用于多酶级联反应。该研究为理解酶在体外的生物催化行为提供指导，为人工细胞器、生物反应器和先进微器件的构建及相关生物医学应用开辟了新的道路。
固定化技术已经成为促进生物大分子应用的有效途径。在发挥限域空间保护力的同时，最大限度对生物大分子的结构和活性“保真”，是这一领域亟待解决的挑战。然而，传统固定化制剂存在一些缺点，例如，柔性的生物大分子的效能一定程度上有赖于自身的自由度，而包裹率低、泄露、体系的传质也是困扰此领域的关键问题，亟待开发针对上述问题的新型固定化制剂平台。
受到生命体普遍存在的分区效应的启发，陈瑶课题组另辟蹊径，提出了一种用MOFs作为牺牲模板，二次构筑限域空间，制备COFs胶囊封装生物大分子的新策略。COFs的多孔性、高稳定性和可调节性使其成为固定化制剂的优良载体。然而，其制备过程的苛刻条件阻碍了其生物医药应用。而利用多孔材料直接吸附或包裹生物大分子，易将其禁锢，缺乏自由度而导致活性降低、传质受阻。
陈瑶课题组利用温和条件下可降解的ZIF-8、ZIF-90等作为牺牲模板，释放出生物分子而不影响其活性的特点，首先用MOFs对生物分子进行固定，继而在其外形成COFs外壳，最后在温和的条件下对MOFs进行降解，对生物分子“松绑”，将其释放到COFs的内腔中，首次创建了可定制化的生物分子@COF“核壳胶囊反应器”。并用于构建新型生物制剂和多酶级联催化。被保护的多亚基酶分子（如葡萄糖氧化酶和触酶）得以被释放到外层更大的COFs胶囊中，保护的同时赋予其更高自由度，结构和活性得于最大程度“保真”，活力提高超过300%。
为了探究上述制备方法的普适性，陈瑶课题组使用了多种MOFs和COFs材料构筑胶囊结构，并成功调控了具有良好通透性的胶囊的内部空腔大小和壁厚。试验证明该策略同样适用于其他生物大分子和多酶级联体系（活性提高达80%）。
据介绍，该晶态胶囊保护的生物大分子展现出很好的稳定性，其对加热、有机溶剂、蛋白酶和酸等严苛条件处理均表现出耐受性。此外，反复循环利用10次后以上，其活性得以保持。
论文链接：https://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/jacs.0c00285
图1. 三步法制备生物分子@cof胶囊结构的示意图
图2. 酶的催化活性表征。(a)以abts为底物，cyt c联用的比色法检测gox@zpf-2和gox@cof-42-b活性；(b)测量葡萄糖的降解来表征goxcat@zpf-2和g
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