南京师范大学古志远教授二维金属有机骨架(MOFs)纳米片调控酶活性研究取得进展

        南京师范大学化科院古志远教授课题组与美国Texas A&M University周宏才教授合作在二维金属有机骨架（MOFs）纳米片调控酶活性研究取得重要突破。相关成果以 “Two-Dimensional Metal-Organic Framework Nanosheets as an Enzyme Inhibitor: Modulation of the α-Chymotrypsin Activity” 为题发表在《Journal of the American Chemical Society》上，(139 (24), 8312–8319；文章链接：http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jacs.7b03450)   

MOFs由于其比表面积大、孔径可调、便于后修饰等优点，被广泛应用于气体吸附与分离、催化、储能等多个领域。近年来，众多学者开发了一系列基于MOFs的光动力疗法、荧光成像、生物传感器等新应用。但MOFs和生物分子表面的相互作用这一关键科学问题还没有得到充分研究。

南京师范大学化科院古志远课题组与美国Texas A&M University周宏才教授合作，针对以上科学问题，提出利用MOFs与酶表面的相互作用来调控酶的活性。考虑到块体的MOFs在水中容易形成不均匀的分散体系而纳米级的MOFs又容易发生团聚，不利于酶活性的检测的特点。该课题组选取了二维MOFs纳米片来作为研究的对象。相较于块体的MOFs，二维的MOFs纳米片有更大的比表面积和更多裸露的活性位点，并且能在水中形成稳定的分散体系，在生物方向的应用前景更加广泛。在此基础上，该课题组研究了两种二维MOFs纳米片[Cu(bpy)2(OTf)2 (Cu-MOF, bpy = 4,4-联吡啶, OTf =三氟甲烷磺酸铜), Zn2(bim)4 (Zn-MOF, bim = 苯并咪唑)]调控糜蛋白酶活性的效果，并通过改变缓冲、改变离子强度、计算米氏常数、表征二级结构等方法得出了酶与二维Cu-MOF纳米片相互作用的机理。研究表明，二维Cu-MOF纳米片由于Jahn-Teller畸变的原因，其表面的三氟甲烷磺酸根离子容易和缓冲体系中的4-羟乙基哌嗪乙磺酸分子发生交换，最终表面带上负电。由于糜蛋白酶分子表面裸露带正电的残基，可以通过静电吸附的方式吸附到纳米片的表面，从而抑制其活性，抑制效果可达96.9%。相反，二维Zn-MOF纳米片由于中心金属Zn配位饱和，无法结合缓冲分子，而其本身的前体带正电，因而无法和酶相结合。后续研究发现，二维Cu-MOF纳米片不会破坏酶的二级结构，而是通过竞争酶活性位点的方式来阻止酶和底物结合，从而抑制酶的活性。糜蛋白酶的活性中心是Asp-102、His-57、Ser195，由于Asp-102的氢键推电子的作用His-57咪唑环上的N极为富电子，通过组氨酸滴定实验证实，该富电子的N会和缓冲分子竞争Cu中心的配位点，一旦His-57和Cu相结合，就无法催化水解底物。二维MOFs纳米片对酶活性的调控为MOFs和生物分子表面相互作用的探索提供了一个新的方向，也提升了对细胞过程的调控和对MOFs与酶表面相互作用的理解。