化學系透過綠色超快一鍋機械化學法高效封装生物催化劑於金屬有機骨架材料

酵素固定化是一種生物技術，它將酵素固定在固體支持材料上，以增強酶的穩定性和重複使用性，有助於改善產品質量、節省能源和減少環境影響。這種技術在多個領域有廣泛的應用例如: 工業生產，生物能源，藥物傳輸或是生物催化等。雖然，目前能作為酵素固定化的固體材料有許多種，但都面臨到容易外漏，保護性不佳，固定化過程繁瑣且耗時影響酵素活性。本院化學系謝發坤老師實驗室是繼2019利用機械研磨化學法，將酵素包覆固定於MOF材料後並發表於Nat. Commn.(自然通訊)後，2023再次利用此高效快速且環境友善的方法，將酵素酶等生物催化劑完整封裝固定於水有機骨架材料之中(Metal-organic Frameworks, MOFs)中, 形成酵素與骨架材料生物複合體 (Enzyme@MOF)，並發表於英國皇家化學學會(RSC)頂刊 J. Mater. Chem. A .

在本研究中闡述了 MOF 亞家族 Zeolitic Imidazolate Framework-90 (ZIF-90) 內的酵素一鍋機械封裝。在少量Tris 緩衝溶液的輔助下，在 8 Hz 或更低頻率下僅 10 秒即可達到顯著產率(約80%)。被封裝酶過氧化氫酶(CAT)在機械處理後仍保持其生物活性。透過能量轉移模擬和實驗結果表明，含有一級胺的緩衝溶液會影響連接子去質子化，從而促進超快研磨反應期間 Enzyme@ZIF-90 晶體的明確 3D 結構的快速形成(Scheme 5)。 最後我們透過將牛血清白蛋白(BSA)與大腸桿菌封裝在 ZIF-90 中進一步展示了我們的機械方法，強調了這種方法在不同工業應用中製作 MOF 生物複合材料的多功能性。值得一提，大腸桿菌是”全球首次”透過此法快速地將其封裝至MOF材料，對未來保存微生物提供嶄新的方式，同時對微生物癌症療法新(Microbe-mediated Cancer Therapy)的提供創新的藥物傳輸途徑。

圖片由化學系提供

透過綠色、超快的一鍋機械合成法，在最少的緩衝溶液輔助下，以8赫茲10秒速度，有效地將生物分子酵素或大腸桿菌封裝金屬有機骨架材料(ZIF-90)之中，形成具有生物活性的生物複合材料。