辣根过氧化物酶（HRP）在H2O2存在下可以催化氧化多种芳香族化合物，被广泛应用于环境分析、医疗诊断等领域。在自然界中，蛋白质骨架精确定位了氨基酸的空间位置，确保了酶的高催化活性和专一性。但是，蛋白质骨架的脆弱性也会导致酶对环境敏感、稳定性差和重复使用性低等问题。因此，开发一种稳定的模拟酶材料代替HRP具有十分重要的意义。

理想的模拟酶材料应具有稳定的理化性质，同时具有极高的催化活性。以HRP的活性中心——血红素为基础，采用稳定的框架结构替代蛋白质骨架并重塑HRP的活性位点微环境以构筑新型模拟酶是一种极具潜力的方法。近日，北京化工大学的杨屹教授、宋佳一等通过将血红素分子嵌入ZIF-L层间构筑了一种新型HRP模拟酶（ZIF-L-Hemin）（图1），并基于ZIF-L-Hemin的构效关系，将其应用于环境水样中铀元素（UO22+）检测。

图1. 模拟酶合成方法及其活性位点与天然HRP活性位点对比示意图。图片来源：Anal. Chem.

ZIF-L是一种由Zn2+与2-甲基咪唑组成的二维网络通过氢键作用力堆叠而成的三维MOF结构，其内部含有大量未配位完全的2-甲基咪唑。文中通过与ZIF-L具有相似结构的ZIF-8作为对比，结合多种表征技术证明了血红素嵌入在ZIF-L的二维单元之间（图2）。

图2. 模拟酶的表征以及血红素嵌入行为的证明。图片来源：Anal. Chem.

当血红素嵌入ZIF-L层间后，ZIF-L内部悬挂的咪唑基团将替代天然酶分子中的组氨酸与血红素分子配位，并在催化过程中起到稳定反应中间体和促进H2O2分解的作用。实验证明所构筑的ZIF-L-Hemin与天然酶中血红素的配位状态（图3）和催化机理（图4）等方面非常相似，极大地促进了血红素分子的催化活性（图5）。

图3. 血红素在ZIF-L内部的存在状态表征。图片来源：Anal. Chem.

图4. 模拟酶的催化机理。图片来源：Anal. Chem.

图5. 模拟酶的催化活性测试。图片来源：Anal. Chem.

ZIF-L-Hemin的催化活性依赖于ZIF-L与血红素分子之间的相互作用。UO22+在溶液中与ZIF-L-Hemin的咪唑分子配位，从而抑制ZIF-L-Hemin的催化活性。基于ZIF-L-Hemin活性下降程度与UO22+浓度的相关性建立了水样中UO22+快速检测方法，具有较宽的线性范围（0.25-40 μm）和低检出限（0.079 μm）。

图6. 模拟酶应用于UO22+检测及其机理研究。图片来源：Anal. Chem.

综上所述，该工作提出了以ZIF-L中2-甲基咪唑替代天然HRP的组氨酸，成功构筑了高活性的过氧化物酶模拟酶，并应用于水样中UO22+选择性检测。模拟酶的合成过程不涉及多肽、DNA等生物大分子，避免了造价昂贵、不稳定等问题。该模拟酶的构筑方法有助于进一步理解酶分子结构与功能的关系，具有一定的生物学意义。此外，该研究为新型模拟酶材料的设计开辟了新的途径，在生物医学、环境检测等应用中具有广阔的前景。

这一成果近期发表在Analytical Chemistry 上，本论文的第一作者为北京化工大学化学学院博士研究生周梓昕，北京化工大学化学学院杨屹教授和宋佳一为通讯作者。

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）：

Insertion of Hemin into Metal–Organic Frameworks: Mimicking Natural Peroxidase Microenvironment for the Rapid Ultrasensitive Detection of Uranium

Zixin Zhou, Wenting He, Hao Chao, Han Wang, Ping Su, Jiayi Song*, and Yi Yang*

Anal. Chem., 2022, 94, 6833–6841, DOI: 10.1021/acs.analchem.2c00661

导师信息

杨屹，北京化工大学化学学院教授，博士生导师，国家级教学名师、中组部“万人计划”教学名师，环境有害化学物质分析北京市重点实验室副主任，教育部化学类专业教学指导委员会委员。主要致力于基于样品前处理和色谱分离技术的新型分析方法和技术在生命与环境分析中的应用研究以及新型高灵敏、高特异性的生物化学传感器的构建和应用。近年来主持和参加国家自然科学基金、北京市自然科学基金、“十一五”科技支撑项目、国家重点研发计划等项目15项。获国家教委科技进步二等奖1项和中国分析测试协会科学技术二等奖1项等。在Anal. Chem.、ACS Appl. Mater. Interfaces、Chem. Commun.、Chem. Eng. J.、Anal. Chim. Acta、Talanta、J. Chromatogr. A等学术刊物发表论文190余篇。

https://www.x-mol.com/university/faculty/8755 

宋佳一，博士，硕士生导师。2019年博士毕业并在北京化工大学化学学院工作。目前主要研究方向为基于天然酶和纳米酶的酶分析研究及基于样品前处理的色谱分离分析研究工作。近年来主持和参加了国家自然科学基金、北京市自然科学基金和中国博士后科学基金等资助研究项目。目前以第一作者或通讯作者在Anal. Chem.、ACS Appl. Mater. Interfaces、Chem. Commun.、Chem. Eng. J.、Talanta、J. Chromatogr. A、Appl. Surf. Sci.等研究领域期刊上发表SCI论文20余篇。

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