香港浸会大学任康宁和清华大学戈钧研究团队发现，在微通道中，基于浓度梯度混合方式形成的MOFs具有配位缺陷结构，表面能产生一系列大小可控的空隙，从而使得底物能更容易的与包裹其中的酶接触，提高了酶的活性。研究成果近日发表于Science Advances 上，胡冲博士（香港浸会大学、江西科技师范大学）和白云岫（清华大学）为共同第一作者。

金属有机框架（Metal-Organic Frameworks, MOFs）是一类由有机配体与金属离子经过自组装形成的新型高度多孔性材料。多变的结构赋予了MOFs不同的形貌、组成、尺寸和理化性质，已经被广泛应用于气体吸附与分离、药物缓释、催化反应等领域中。传统基于共沉淀合成的包埋生物分子的MOF复合物方法能简单、高效且规模化的合成MOF材料用于保护酶和其他对环境条件比较敏感的生物分子（比如核酸），维持其在非生理条件下的生物活性。然而，当前研究关于合成酶-MOFs复合物的活性难以令人满意。例如将辣根过氧化物酶、脂肪酶、过氧化氢酶等包裹在ZIF-8/ZIF-90中后，其活性仅为游离状态的十分之一左右。这主要是由于MOFs的极小的孔径限制了底物、产物的扩散而导致的。另外，在合成过程中酶与组成MOFs的金属离子或者有机配体接触也可能会影响其活性。因此，为了提高包裹在MOFs中酶的活性，急需研究清楚共沉淀过程中酶是如何与金属离子和有机配体相互作用，从而包裹在其中的。但是传统方法难以在时间和空间上精确有效地控制反应过程，无法研究清楚酶包裹在MOFs材料中的机理。

图1.  在微通道中，层流扩散导致浓度变化与溶液合成之中大不相同，通道中反应物浓度梯度变化产生的MOFs出现配位缺陷，从而导致介孔的生成。

图2. 在微通道中基于层流形成的浓度梯度混合方式能连续形成不同的（咪唑：锌）摩尔比（A），特别是第一种混合方式（B中Scheme 1，先混合咪唑和锌，然后加入酶），反应物摩尔比先急剧增大，然后逐渐降低，远不同于常规合成MOFs的摩尔比，从而导致了含有缺陷的MOFs形成，提高了酶的活性（C）。

微流控为解决这一问题提供了有力支撑。不同于传统宏观溶液合成法，微流控技术能在数十到数百微米尺度的通道内操控几微升或纳升体积的流体。如此小尺寸的通道不仅提高了比表面积，缩短了物质之间的扩散距离，而且改变了流体的流动特性，微通道中的流通状态一般为层流，物质之间的混合完全依赖于自由扩散。这些特性使得精确调控混合过程成为可能。本文报道了基于微通道中的层流扩散形成的浓度梯度混合环境合成了酶-MOFs复合材料，利用反应物浓度沿微通道流动过程中不断变化的特性为产物引入配位缺陷，原位形成介孔结构（见图1），将固定化酶的表观活性提高了一个数量级，探索了微通道中不同流动情况对产物缺陷的调控机制（见图2），为缺陷型酶-金属有机骨架复合材料的合成提供了新的思路。

通过在微通道中由层流浓度梯度形成的连续变化（咪唑：锌）摩尔比，合成了具有配位缺陷结构的MOFs，而产生了介孔结构，有利于底物扩散及与包埋在MOFs中酶的传质接触，大幅提高了酶的表观活性。相比于传统通过模板法产生介孔结构的MOFs，利用微流控方法无需利用模板，能简单快速的合成出介孔大小可控的MOF材料，因无需除去模版，大大降低了对负载酶的伤害和操作的效率，拓宽了其应用场景。

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Defect-induced activity enhancement of enzyme-encapsulated metal-organic frameworks revealed in microfluidic gradient mixing synthesis

Chong Hu, Yunxiu Bai, Miao Hou, Yisu Wang, Licheng Wang, Xun Cao, Chiu-Wing Chan, Han Sun, Wanbo Li, Jun Ge, Kangning Ren

Sci. Adv., 2020, DOI: 10.1126/sciadv.aax5785

作者简介

戈钧，清华大学化学工程系长聘副教授，博士生导师。于2004年，2009年在清华大学化学工程系获得本科和博士学位，2009年至2012年在斯坦福大学化学系进行博士后研究，2012年开始在清华大学化学工程系工作。主要从事酶催化剂工程及其在生物催化、生物传感以及生物医学等领域的应用研究。研究工作累计发表SCI论文60余篇，部分论文发表在Nature Nanotechnology, Nature Catalysis, Nature Communications, Science Advances, Nano Letters, ACS Nano, ACS Catalysis等期刊。获得国家优青，北京市杰青，国家重点研发计划青年项目，863生物医药领域青年科学家专题等资助，入选“长江学者奖励计划”青年学者。获得MIT Technology Review World 35 Innovators Under 35，“闵恩泽能源化工奖”青年进步奖。

任康宁，现任香港浸会大学化学系助理教授，浸会大学生物与环境分析国家重点实验室成员，粤港澳配饰子研究平台副主任，清华珠三角研究院仿生微流控研发中心主任。在清华大学化学系依次获得学士（2003）、博士学位（2008）后于香港科技大学（2008-11）及在斯坦福大学（2011-14）从事博士后研究。主要研究创新微加工技术、基于微纳结构的功能化涂层、基于微流控芯片的创新快速医学诊断技术和创新药物开发技术。近年来，以通讯作者在相关领域的顶级期刊PNAS、Science Advances等发表四十余篇论文，多项研究获得广泛媒体关注，获得QS WOWNEWS等新闻关注度奖，研究获得业界产业化投资。多次获得Lab on a Chip，Biosensors and Bioelectronic等杂志杰出审稿人奖。

课题组介绍

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