通过合成化学模拟天然酶的生物活性是在非细胞环境中发展生物催化剂的有效手段，该领域仍面临长期挑战。近日，中山大学化学学院陈国胜（点击查看介绍）课题组利用结构明确的氢键有机框架（HOFs）模拟光响应氧化酶，并通过构建HOFs的同构物揭示模拟氧化酶活性过程中孔道环境的重要性。研究表明，具有合适几何形状的HOF孔道可以像天然酶口袋一样稳定催化底物，并使其在空间上形成利于催化反应的构象。基于理想的类光响应氧化酶活性，本研究建立了一种视觉敏感的HOFs生物传感器，用于检测作为骨骼和肝胆疾病重要生物标志物的磷酸酶。该研究工作表明具有明确拓扑的HOF材料在模拟光酶催化行为及深入理解其催化机制方面均具有巨大的潜力。除了活性中心模拟之外，孔隙环境对纳米酶活性的同样作用，这可能为设计具有高生物活性的下一代酶模拟物提供新见解。相关研究发表在著名化学期刊Angew. Chem. Int. Ed.。文章第一作者为中山大学童琳净博士生，通讯作者为中山大学化学学院沈勇副教授、广州医科大学黄思铭教授和中山大学化学学院陈国胜副教授，研究工作得到中山大学化学院欧阳钢锋教授的大力支持。

孔道环境依赖的光响应氢键有机框架纳米酶

太阳光是一种清洁、可持续的能源。自然界中仅发现光合系统、DNA光解酶、原叶绿素氧化还原酶和脂肪酸光脱羧酶这几种光酶，能够利用可见光进行特定的生物催化（ACS Catal. 2019, 9, 4115–4144）。酶的活性依赖于活性位点上的捕光辅因子，光照下有利于电子或质子的转移，从而实现复杂的生物转化。这种光响应生物催化技术因高效性和利用光源的空间可控性而备受关注。然而，目前发现的自然界中的光酶数量有限，且天然酶热力学不稳定，在非生理条件下易失活。

利用纳米材料模拟酶的生物活性是在非细胞环境下拓展生物催化的有效方法。至今科学家们已通过纳米技术构建具有类氧化酶、类过氧化物酶、类过氧化氢酶和类超氧化物等纳米酶，其中模仿特定天然酶活性中心是目前设计纳米酶的主流策略。例如，卟啉分子与天然血红蛋白的活性中心相似，构建以铁卟啉为配体的网状框架（金属有机框架，MOF）表现出较高的过氧化物酶生物活性。从酶的结构上看，催化活性不仅受活性中心的影响，还受周围氨基酸残基微环境的调控，但目前探索纳米微环境对类酶活性的影响机制仍是一项挑战。

氢键有机框架（HOFs）是由有机连接物分子间氢键构成的一类新型网状材料，具有明确的拓扑结构和可定制的孔隙。相比于其他多孔框架如MOF和COF材料，HOF具有组装条件温和、溶剂加工性好等优点，这些结构特性为探究微环境对光响应纳米酶的影响提供新平台。研究人员首先使用单点DFT方法计算分析11种常见的HOF分子模块的前线轨道能量和间隙，筛选出了H4TCPy、H4TAPy和H4TNAPy作为合成光响应型HOFs纳米酶的理想分子单体（图1）。

图1. 前线轨道理论计算分析11种常见HOF分子模块的分子模块的前线轨道能量和带隙

H4TCPy、H4TAPy和H4TNAPy可分别通过氢键作用自组装得到HOF-100、HOF-101和HOF-102三种同构HOFs（图2a），其PXRD峰与模拟结构的布拉格衍射峰一致（图2b）。根据Kubelka-Munk函数的Tauc图（图2c）计算得到HOF-100、HOF-101和HOF-102的带隙分别为2.44 eV、2.42 eV和2.41 eV，这些带隙值的顺序与DFT预测的顺序一致。利用3,3',5,5'-四甲基联苯胺（TMB，图2d）作为底物评估光响应氧化活性（图2e），结果表明尽管带隙值相近，这三种同构HOFs催化性能在表现出较大差异（图2f）。

图2. HOFs合成与活性表征

Mott-Schottky测试分别给出HOF-100（图3a）、HOF-101（图3b）和HOF-102（图3c）的平带电位为-0.60 V、-0.92 V和-0.70 V（vs Ag/AgCl）。结合UV-vis DRS的带隙分析可推断出HOFs的LUMO和HOMO能级分布（图3d），表明三种等构HOFs都可利用可见光催化O2氧化TMB，从而产生光响应类氧化酶活性。

图3. Mott-Schottky测试及LUMO和HOMO能级分布揭示HOFs光响应类氧化酶活性的机制

为了深入探究同构HOFs的孔道微环境对类氧化酶活性的影响，采用计算模拟方法分析了TMB分子和HOF孔道的主-客体相互作用。结果显示，相比于HOF-100和HOF-102，HOF-101合适的孔道几何构型（羧基）能够与TMB分子（氨基）形成多重氢键（图4a,b）；FT-IR进一步证实HOF-101与TMB之间形成的氢键作用（图4d）。此外，半经验量子法计算显示HOMO分布在整个TMB分子中，而LUMO主要分布在HOF骨架上的羧基和芘基（图4c）。这表明HOF-101与TMB分子的多重氢键作用有利于质子的转移并提高氧化还原能力，类似于酶的口袋微环境作用。

图4. HOFs孔道与TMB分子的主客体相互作用研究

HOF的明确拓扑结构还有利于孔道的精准修饰，进一步探索孔道微环境对类氧化物酶活性的影响。研究人员进一步在HOF-101的孔壁精准修饰甲基，获得同构型的HOF-101-CH3（图5a，图5b）。计算结果表明，甲基修饰产生的空间位阻会使TMB与HOF-101-CH3之间形成的氢键距离分别从2.32和2.24 Å增加到2.77和2.66 Å（图5c），这种氢键相互作用减弱导致HOF-101-CH3的光响应类氧化酶活性较HOF-101降低（图5d）。上述结果均证实孔道微环境会显著影响纳米酶的活性，为构筑高活性的纳米酶材料提供了新见解。

图5. 通过孔壁精准修饰进一步探索孔道微环境对类氧化物酶活性的影响

最后，鉴于HOF-101优异的光响应纳米酶活性，研究人员建立谷胱甘肽（GSH）、多巴胺（DA）和抗坏血酸（VC）等多种还原性标志物的灵敏、快速传感平台。此外，通过多种级联催化原理也实现碱式磷酸酶（ALP）的灵敏检测，线性范围为31.2 U•L-1 ~ 625.0 U•L-1（图6）。

图6. 通过多种级联催化原理实现碱式磷酸酶（ALP）的灵敏检测

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Pore-Environment-Dependent Photoresponsive Oxidase-Like Activity in Hydrogen-Bonded Organic Frameworks

Linjing Tong, Yuhong Lin, Xiaoxue Kou, Yujian Shen, Yong Shen, Siming Huang, Fang Zhu, Guosheng Chen, Gangfeng Ouyang

Angew. Chem. Int. Ed., 2023, DOI: 10.1002/anie.202218661

导师介绍

陈国胜

https://www.x-mol.com/groups/chen_guosheng 

如果篇首注明了授权来源，任何转载需获得来源方的许可！如果篇首未特别注明出处，本文版权属于 X-MOL （ x-mol.com ）， 未经许可，谢绝转载！